Енергија и животна средина 10/31/2015 Ако је веровати ... Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22. oktobra 2047.
Download ReportTranscript Енергија и животна средина 10/31/2015 Ако је веровати ... Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22. oktobra 2047.
Slide 1
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 2
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 3
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 4
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 5
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 6
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 7
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 8
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 9
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 10
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 11
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 12
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 13
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 14
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 15
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 16
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 17
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 18
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 19
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 20
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 21
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 22
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 23
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 24
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 25
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 26
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 27
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 28
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 29
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 30
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 31
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 32
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 33
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 34
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 35
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 36
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 37
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 38
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 39
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 40
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 41
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 42
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 43
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 44
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 45
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 46
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 47
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 48
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 49
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 50
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 51
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 52
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 53
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 54
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 55
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 56
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 57
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 58
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 59
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 60
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 61
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 62
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 63
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 64
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 65
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 66
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 67
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 68
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 69
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 70
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 71
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 72
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 73
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 74
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 75
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 76
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 77
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 78
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 79
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 80
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 81
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 82
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 83
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 84
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 85
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 86
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 87
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 88
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 89
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 90
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 91
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 92
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 93
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 94
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 95
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 96
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 97
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 98
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 99
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 100
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 101
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 102
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 103
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 104
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 105
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 106
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 107
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 2
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 3
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 4
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 5
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 6
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 7
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 8
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 9
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 10
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 11
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 12
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 13
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 14
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 15
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 16
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 17
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 18
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 19
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 20
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 21
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 22
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 23
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 24
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 25
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 26
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 27
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 28
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 29
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 30
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 31
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 32
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 33
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 34
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 35
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 36
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 37
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 38
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 39
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 40
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 41
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 42
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 43
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 44
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 45
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 46
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 47
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 48
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 49
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 50
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 51
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 52
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 53
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 54
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 55
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 56
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 57
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 58
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 59
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 60
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 61
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 62
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 63
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 64
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 65
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 66
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 67
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 68
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 69
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 70
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 71
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 72
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 73
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 74
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 75
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 76
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 77
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 78
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 79
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 80
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 81
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 82
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 83
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 84
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 85
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 86
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 87
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 88
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 89
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 90
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 91
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 92
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 93
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 94
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 95
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 96
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 97
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 98
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 99
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 100
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 101
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 102
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 103
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 104
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 105
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 106
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте
Slide 107
Енергија и животна
средина
10/31/2015
1
Ако је веровати ...
Sve zalihe nafte u svetu biće iscrpljene 22.
oktobra 2047. godine, i to u 20.58 sati,
navedeno je na evropskom energetskom
Internet portalu www.energy.eu.
Sledeći u redu "ugroženih energenata" je
prirodni gas, čije bi rezerve trebalo da
budu potrošene 12. novembra 2068.
godine u 9.25 ujutru, dok će uglja biti do
19. maja 2140. u 20.05, navodi se na
portalu.
Увод
Наше потребе за енергијом
извори енергије
– необновљиви
фосилна горива
нуклеарна енергија
– обновљиви
обновљиви извори енергије
– хидроелектране
– плима
– ветар
– таласи
– Биомаса
– Соларна енергија
Соларни колектори
соларне ћелије
Штедња енергије
– Трансфер топлоте и термална изолација
трансфер топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
10/31/2015
3
Увод
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Енергија не може бити ни створена ни
уништена - може само да промени форму. 1.
принцип термодинамике
Унутрашња енергија и топлота су повезане –
топлота је енергија која се размењује између
два система са неједнаким унутрашњим
енергијама
У ономе што обично називамо “гориво” је
енергија “ускладиштена”
У фосилним горивима је ускладиштена у
основи сунчева енергија – при њиховом
сагоревању се “хемијска” енергија конвертује
у друге форме енергије
10/31/2015
4
Увод
човек < - > атмосфера
глобално загревање – повећање
концентрације СО2
у највећој мери последица сагоревања
фосилних горива
економски раст и потреба за енергијом
– колико енергије нам треба?
– колики су нам извори енергије?
– да ли постоје јефтинији и чистији извори
енергије?
10/31/2015
5
Човек и енергија
Мишићи
животиње
ватра (сагоревање
материјала од
целулозе)
енергија воде
енергија паре
ветар
енергија из
фосилних горива
соларна енергија
нуклеарна
енергија
енергија плиме
10/31/2015
6
Шта је енергија?
Карактеристика система
– мери се способношћу тела да изврши рад
Универзум је затворени систем – укупни збир
енергије и масе мора бити очуван са временом
Сва енергија у универзуму потиче од “Велике
експлозије” – и само се конвертује из облика у
облик
Горива су медијуми у којима је енергија
ускладиштена – има пуно облика горива
Енергетска криза на Земљи не значи да нема
довољно енергије.
Ње има, реч је о томе да не можемо довољно
ефикасно да је екстрахујемо, конвертујемо и
ускладиштимо
10/31/2015
7
Облици енергије
Кинетичка енергија
– енергија кретања – механичког
транслациона,
ротациона
осцилаторна
Потенцијална енергија
– енергија асоцирана положају тела у физичком пољу
електрично
магнетно
гравитационо
Електрична или магнетна
– струјање или акумулирање наелектрисања
Електромагнетна (ЕМ) енергија
– енергија ЕМ поља или таласа – облик “чисте” енергије која није
асоцирана маси
Хемијска енергија
– енергија која се ослобађа као резултат када атом или молекул
награде хемијски стабилнију конфигурацију – облик енергије која је
ускладиштена
Нуклеарна енергија
– облик “хемијске” енергије у случају језгара
Унутрашња енергија
– повезана са температуром тела која је пак повезана са хаотичним
кретањем атома и молекула
10/31/2015
8
Ослобађање енергије
при сагоревању
Реч је о енергији која се
ослобађа у виду
топлоте (реакција је
егзотермна) при
реакцији горива са
кисеоником. Један део
енергије хемијске везе
се претвара у топлоту
Хемијска реакција:
хидрокарбонат обично
реагује са кисеоником и
даје угљен диоксид,
воду и топлоту.
гориво
водоник
бензин
дизел
kJ/g
141,9
47
45
етанол
пропан
бутан
29,8
49,9
49,2
дрво
Угља
(лигнит)
Угаљ
(антрацит)
Природни
гас
15,0
15,0
27
54
Енергија и једначине
Кинетичка
Гравитациона
потенцијална
ЕМ енергија
Нуклеарна
Електрична
потенцијална два
наелектрисања
Електрична енергија
ускладиштена у
кондензатору
Магнетна енергија
ускладиштена у калему
10/31/2015
Ep
1
2
CU
2
E mc
2
E p mgh
E EM h
Ep
1
Ek
1
Ep
kq 1 q 2
LI
2
mv
2
2
2
r
10
Очување енергије и 1. закон
термодинамике
енергија не може да се створи ни уништи ни у
једном процесу – она само мења облике. Маса
се може сматрати врстом “кондензоване
енергије”
Очување енергије је исказано 1. законом
термодинамике који повезује рад (A) који врши
систем (или је извршен над њим) и промену у
његовој унутрашњој енергији (DU) кроз
размену топлоте (DQ)
DQ DU A
Топлота је енергија коју размењују два тела
различитих температура (имају различите
унутрашње енергије) која се налазе у
термалном контакту
10/31/2015
11
Фосилна горива
фосилна горива
– угаљ, нафта, природни
гас
Настали пре око 360
милиона година
Неке резерве угља
потичу из времена
диносауруса (65 милиона
година)
биљке су умирале,
падале на дно океана и
тонуле у муљ –
прекривале се
седиментним стенама,
под притиском остајале
без воде,
10/31/2015
12
Фосилна горива - угаљ
Чврсти хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
биљака у току Карбона (део Палеозоика (~325 милиона година))
(карбохидрати у
хидрокарбонат)
Први пут је употребљен у Кини пре око 3 000 година
Најбогатији и најјефтинији облик фосилних горива – први
који се користио веома широко у целом свету
САД, Кина и Русија поседују 75% светских резерви угља
Главне примене: грејање (домова и индустрије),
производња електричне енергије у термоелектранама
(пара)
парне турбине
(унутрашња у
механичку и у
електричну)
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у унутрашњу
13
Фосилна горива – сирова нафта
Течни хидрокарбонати су формирани депоновањем остатака
микроскопских морских организама (~325 милиона година)) – под
високим притиском и температуром.
Из те смесе је истиснута вода која је ишла на горе кроз отворе
порозних стена док нису постале непропусне
користи се више од 5000 година
представља око 35% светске енергије
главни производи су
– керозин, бензин, ТНГ, уље, пластика
око 85% енергије која се користи за транспорт
75% резерви се налази у земљама OPEC (Organization of the
Petroleum Exporting Countries)
дестиловање
соларна у хемијску
10/31/2015
хемијска у
унутрашњу и
механичку 14
Фосилна горива – природни гас
Настаје конверзијом микроорганских материјала којих
има тамо где има других
фосилних горива
Три главне фракције:
– метан (у највећој мери),
– пропан и бутан
највеће светске резерве су у
Персијском заливу
Сагорева чистије од угља и
нафте
Главна примена
– за погон електрана на гас
– загревање кућа и кување
– у почетку се користио само за
осветљавање улица у
градовима
Популарно гориво јер у
процесу сагоревања мало
загађује атмосферу
сагоревање –> CO2 + H2O + нечистоће
10/31/2015
15
Фосилна горива - проблеми
Очигледни
–
–
–
–
необновљиви су
загађење при производњи
загађење приликом транспорта
загађење током коришњења
Неочигледни
– повећање концентрације гасова стаклене баште
– други загађивачи (оксиди сумпора, азота, разарање
озона)
– кисела киша (растворен сумпор и оксид азота)
– ратови
10/31/2015
16
8
7
109 тона
6
5
Светска емисија угљен
диоксида - подсетник
Укупно
Течна горива
Чврста горива
Гасна горива
4
3
2
1
0
1750
10/31/2015
1800
1850
1900
Година
1950
2000
17
Потребе за енергијом
Највише коришћене врсте енергије
– у већој мери фосилна горива
природни гас
нафта
угаљ
– у мањој
дрво
биоотпад
У почетку углавном угаљ
од 1950 нафта
јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe
= 1,33 kW)
Укупна потрoшња 1990. године = 8730
милиона toe = 12 TW
10/31/2015
18
Начини на које се користи
енергија
40%
за грејање и хлађење
20% за загревање на високим
температурама-изнад тачке
кључања воде (индустрија)
30% за транспорт
5-10% за уређаје на струју
(осветљење, електронски уређаји,
...)
10/31/2015
19
Потрошња енергије
У
чему је изражавати?
– тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW)
– Британска термална јединица - BTU
– 1 BTU = топлотна енергија потребна да
подигне температуру једне фунте воде за
један степен Фаренхајта.
– Q = c m DT
10/31/2015
20
1,8 F = 1 C
1 funta = 0,4536 kg
1 BTU = 1055 J.
1 BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена
шибица ~ 1 BTU енергије.
већа јединица - квад.
1 квад = 1 квадрилион BTU, односно
1.000.000.000.000.000 BTU.
10/31/2015
21
Јединице за снагу: Терават
Снага
10/31/2015
1
1W
103
1 kW
106
1 MW
109
1 GW
1012
1 TW
Енергија
1J=
1 W за 1 s
22
Глобална потрошња енергије, 2001
5
4,66
4
2,89
3
2,98
TW
2
1,24
1
0
0,92
0,285
уље
гас
угаљ
0,286
биомаса
нуклеарна
Nuclear
хидро
обновљива
Укупно: 13.2 TW
10/31/2015
САД.: 3.2 TW (96 Quads)
23
Потрошња енергије по регионима
Потрошња енергије у еквивалентним тонама
нафте по човеку у 1990. години
(1 toe = 1,33 kW)
Северна Америка
7,82
Некадашњи СССР
5,01
Западна Европа
3,22
Источна Европа
2,91
Латинска Америка
1,29
Средњи исток
1,17
Пацифик
1,02
Африка
0,53
Јужна Азија
0,39
Свет у средњем
1,66
10/31/2015
24
Број људи на свету
Достиже максимум јер прираштај
опада
10/31/2015
25
Прираштај становништва
Негативан прираштај је повезан са
проблемима у обезбеђивању
енергије
10/31/2015
26
Потрошња енергије има (горњи)
лимит
График има асимптоту на око 350 MBtu по човеку годишње
oдносно на 12 kW по човеку, уз претпоставку да ће број
ставновника расти до око 8.3 милијарди.
USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек)
Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7
kW/човек)
Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек)
Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)
10/31/2015
27
Производња сирове нафте
Нема нових
изворишта нафте!
10/31/2015
28
Новооткривени извори сирове
нафте у свету
Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012
барела
10/31/2015 (1 барел нафте=42 галона=159 литара).
29
Производња гаса
Нема довољно нових
извора гаса да би се
повећала производња
10/31/2015
30
Фосилна горива+уранијум и
светска потрошња енергије
Уранијум није од велике
помоћи.
Потребни су нови извори
енергије.
10/31/2015
31
Врсте енергије
Примарни извори
– обновљиви
сунце
вода
ветар
биомаса
геотермални
извори
– необновљиви
фосилна
горива – угаљ, нафта, природни гас,
нуклеарна енергија
Секундарни извор-електрична енергија
– она се добија из примарних извора
10/31/2015
32
Обновљивост и
необновљивост?
Сви извори енергије су у суштини
необновљиви – нпр. Сунце има свој век,
итд.
Обновљиво – мисли се да неће доћи
до приметног смањења тог извора у
интервалу од неколико људских
генерација
10/31/2015
33
Обновљиви извори
Њихово
учешће у укупној енергији
данас је веома мало
– хидроелектране, око 6%
– биомаса (сагоревање биљака), 1,5%
– плима, соларна енергија, геотермална
– заједно око 0,5%
10/31/2015
34
Хидролошки циклус
10/31/2015
(Хидро)механичка
енергија - енергија
коју поседују речни
токови - последицу
природних кретања
воде под дејством
топлоте Сунца и
гравитације.
обновљиви извор обнавља се стално
падавинама снега или
воде у циклусу
кружења воде.
35
Принцип рада хидроелектране
Потенцијална
енергија
Електрична
енергија
Струја
Кинетичка
енергија
Механичка
енергија
10/31/2015
36
Највећи произвођачи енергије у
хидроелектранама
10/31/2015
37
Највеће бране у свету
Име
Земља
Three Gorges
(три кањонаЈангцекјанг)
Годишња
производ
ња
Година
Макс. снага
China
2009
18,200 MW
Itaipú
Brazil/Paraguay
1983
12,600 MW
93.4 TW-hrs
Guri
Venezuela
1986
10,200 MW
46 TW-hrs
Grand Coulee
United States
1942/80
6,809 MW
22.6 TW-hrs
Sayano
Shushenskaya Russia
1983
6,400 MW
Robert-Bourassa
Canada
1981
5,616 MW
Churchill Falls
Canada
1971
5,429 MW
35 TW-hrs
Iron Gates
Romania/Serbia
1970
2,280 MW
11.3 TW-hrs
10/31/2015
38
Хидроенергија
конвертује се потенцијална енергија
воде која се налазила на висини h, у
кинетичку
густина воде r=m/V, запремински
проток Q=V/t, брзина струјања и
максимална снага P0 која може да се
генерише је
P0 r ghQ r
10/31/2015
u
2
Q
2
39
Пелтонова импулсна турбина
млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине
у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800.
у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је
um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена.
сила којом млаз делује на лопатицу је
F
10/31/2015
Dp
Dt
2 m (u m u l ) V
Dt
V
2 r Q u m u l
40
Пелтонова импулсна турбина
трансферисана снага
има максимум за
P Fu l 2 r Q u m u l u l
um ul / 2
тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и
њена ефикасност је 100%
реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике
комерцијалне системе)
10/31/2015
41
Френсисове турбина
Плима и осека
10/31/2015
43
Плима и осека
највидљивији резултат деловања
гравитације Месеца на Земљу
упрошћени приказ
• откуд плима и са друге стране?
• колико пута дневно се дешава?
• да ли Сунце, као најмасивније тело
у планетарном систему има утицај на
плиму и осеку?
10/31/2015
• Месец привлачи Земљу јаче него воду
са друге стране
• Земља ротира око своје осе а места
на којима су плиме задржавају свој
положај у односу на Месец
•2x дневно се појављују
44
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
највеће плиме – пролећне – када су Земља,
Месец и Сунце у једној линији
10/31/2015
45
Утицај Сунца на плиму и осеку
утицај Сунца је половина утицаја Месеца
најниже када је Сунце под правим углом у
односу на линију која спаја положаје Земље и
Месеца
10/31/2015
46
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
47
Коришћење плиме за
производњу енергије
Брана се прави да
одвоји залив од
мора.
она дозвољава
плими да прође
кроз њу и напуни
базен.
када дође до осеке,
вода пролази кроз
турбину, покреће је
и генерише струју.
10/31/2015
48
Коришћење плиме за
производњу енергије*
Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,
површина залива иза бране S, густина воде r. Њена
маса је онда m= r SR. Центар гравитације (нападна
тачка силе теже) се налази на R/2 (ниво воде иза
бране није стално R када она почне да истиче)
Потенцијална енергија која се ослободи при кретању
воде у једном плимском циклусу је
E p mg
R
R Srg
2
2
2
Просечна снага која се ослободи по једном
плимском циклусу периода t је
P
10/31/2015
Ep
t
R Srg
2
2t
49
Коришћење таласа за
производњу енергије
Oсцилујући водени и ваздушни
стуб
Долазећи талас изазива
померање ваздушног стуба на
горе у цеви и тера турбину да
се окреће
Одлазећи талас вуче за собом
ваздух и тако опет окреће
турбину
10/31/2015
50
Таласи на мору-”гравитациони”*
Таласе на мору изазива ветар када
прелази по површини воде
Таласна дужина l, амплитуда А и
висина H=2A
Дубока вода (h > l/2), фазна брзина
таласа је
c
gl
2
Плитка вода (h
Општи случај-између ова два (l/2
c
10/31/2015
c
gh
gl
2 h
tanh
2
l
51
Енергија таласа*
Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у
таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се
запише као
E
1
1
r gA
2
2
Снага
P
E
T
grH
2
8
1
16 l
rg H T
2
2
Реални таласи су суперпозиција више
таласа-усредњавање и обрачун по
таласној дужини даје
P
1
64
r g H s Ts
2
2
где је Hs – значајна висина (просечна висина
таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Ts
значајни период – период доминантне осцилације
Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и
садржи у себи око 70 kW m-1
10/31/2015
52
Предности плиме, осеке и таласа
Обновљив
има
је довољно (процена је да
може да произведе 16% потребне
енергије.)
Нема загађења (осим у току
изградње)
Вода је бесплатан извор
Углавном не спречава миграцију
водених животиња
10/31/2015
53
Недостаци плиме, осеке и таласа
Утиче на приобални морску флору и фауну
скупе су (око 1.2 милијарди долара.)
има негативан утицај на туризам (мења
визуелни изглед обале, спортски риболов,
пливање, ...)
одржавање је скупо
трансфер произведене енергије је скуп
произведена снага није константна (због
промене таласа)
10/31/2015
54
Енергија плиме данас
Плима се веома мало користила кроз
историју. Данас су направљене
инсталације на више места у свету
–
–
–
–
–
Француска (La Rance, 240 MW)
Велика Британија
Бивши СССР
Канада
САД
У принципу је могуће добити велику
количину енергије на овај начин али је
то, са данашњом технологијом, још увек
релативно скупо
10/31/2015
55
Ветар
стара идеја – 1800. године,
више од 10 000 ветрењача
у Великој Британији
модерне турбине – пропелери са две или три
лопатице – пречник 33 м
генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км
на час (6 по Бофоровој скали)
Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба,
а цена је 4/13 цене енергије добијене
сагоревањем фосилних горива.
велики системи – фарме ветрова.
велике фарме су непопуларне јер нарушавају
природну лепоту
10/31/2015
56
Производња електричне енергије
ветром
10/31/2015
57
Ветар
2
Кинетичка енергија
ru
јединице запремине E k
2
ваздуха
Запремина ваздуха која прође кроз
попречни пресек S за време t је
ru
Снага је
P0
Снага по јединици
површине је
10/31/2015
V Sut
2
uSt
2
ru S
3
t
2
P0
S
ru
3
2
58
Ветар
Ако ветар дува под углом који није прав и то треба
узети у обзир
3
P0
ru
cos
S
2
Ово је максимална снага у ветру коју није могуће
екстраховати у потпуности
Једначина
континуитета (за
нестишљив флуид)
гласи
S 1 v1 S 2 v 2
10/31/2015
59
Снага ветра-Бецов лимит
Након турбине, ваздух задржава
неку брзину, што лимитира снагу
која може да буде екстрахована
(Бецов лимит)
Тачан израз за снагу садржи и
коефицијент перформансе
C P 4 (1 )
2
P0
S
Cp
ru
3
cos
2
( v1 v 2 ) / v1
Максимум искоришћења је за 1/3!
Опсег вредности овог
коефицијента
C P ( 0 , 4 0 , 59 )
Од свих обновљивих извора ветар је најкомпетитивнији
фосилним горивима
10/31/2015
60
Weibull-ова
расподела*
Вероватноћа да ветар има брзину v је дата
двопараметрарском расподелом
f (v )
v
1
e
(v / )
фактор скале =5,1m/s. Параметар облика =1,5
10/31/2015
61
Геотермална енергија
1.3 GW капациет у 1985
10/31/2015
•из топлоте која потиче из унутрашњости земље.
•произведена радиоактивним распадом
•најчешћа је хидротермална – подземне воде
долазе у додир са загрејаним стенама и испарава
62
Геотермални резервоари
10/31/2015
63
Биомаса као гориво
Биомаса - било која органска супстанца
(материја биљног или животињског
порекла) која може бити коришћена као
извор енергије.
– дрвеће,
– покошени усеви,
– морска трава,
– отпаци животињског порекла,
– стајско ђубриво, ...
Биомаса - трансформисана Сунчева
енергија ускладиштена у биомаси кроз
процес фотосинтезе (биљке користе
угљен диоксид, воду и одређене
минерале да направе угљене хидрате).
Најчешћи начин да се из биомасе добије
енергија је сагоревање биомасе.
Биомаса је коришћена хиљадама година и
она је најпознатији извор енергије.
То је обновљиви извор енергије јер је
снабдевање њоме неограничено-увек
може да се засади и порасте за релативно
кратко време.
10/31/2015
64
Биомаса као гориво
Постоји 4 главна типа биомасе:
–
–
–
–
дрвеће и пољопривредни производи,
чврсти отпаци,
земни гас и
алкохолна горива.
Сагоревање дрвећа је најчешћи начин
за коришћење енергије биомасе и на
њега отапада 90% од укупне енергије
добијене из биомасе.
Сагоревање чврстих отпадака – у
термоелектранама – скупље је од угља
али нас решава отпада
10/31/2015
65
Биомаса као гориво
метан – биогас - за загревање стаклених башти.
Кукуруз, пшеница и друге житарице могу да се користе
за производњу разних врста течних горива.
Најчешћи су етанол и метанол.
Данас су ово још увек прилично скупа горива и цена
нафте би требало да буде два пута већа да би се
производња етанола и метанола исплатила.
Мешање 10% етанола и 90% бензина даје гориво које се
зове гасохол.
Гасохол по цени може да се пореди са ценом бензина и
може да се користи као погонско гориво за моторе.
Он такође има високу октанску вредност и чистије
сагорева од бензина.
10/31/2015
66
Енергија везе: да ли је 2 + 2 = 4?
Минимална енергија која треба да се доведе стабилном
језгру да би се оно разбило на нуклеоне који га чине се
зове ЕНЕРГИЈА ВЕЗЕ. Та енергија показује колико су
јако нуклеони везани у језгро
Маса -честица је МАЊА од
збира маса два протона и два
неутрона од којих се састоји!
Тај мањак је енергија везе He.
10/31/2015
67
Енергија везе језгра
Обично се рачуна енергија везе по нуклеону (да би се
упоређивало)
Максималну енергију везе имају елементи око гвожђа! На том
месту крива има максимум!
Енергија се ослобађа
када се:
фузија
10/31/2015
фисија
• мала језгра
комбинују у велика
(нуклеарна фузија)
•Велика цепају у
мања (нуклеарна
фисија)!
68
Нуклеарна фисија
Лиза Мајтнер, Ото Хан и Фриц
Штрасман, 1939: Велика језгра могу
да се поделе на два мања (до тада су
биле избацивање мање честице из
језгра). Како овај процес личи на
процес дељења ћелија назван је
фисија. Пример: Фисија урана.
Да би се она изазвала потребни су
спори неутрони (тешка вода- уместо
водоника има деутеријум).
Током другог светског рада САД су
направиле прву нуклерану бомбу:
Пројекат Менхетн
10/31/2015
Догађа се ланчана реакција када
неутрон бива захваћен од стране
језгра које се након тога цепа, емитује
више неутрона, итд...
Ослобођена енергија је за много
редова величине већа од хемијске
енергије која се ослобађа
69
сагоревањем.
Нуклеарна фисија и ланчана
реакција
1
0
1
0
n
235
92
U
A1
Z1
n
235
92
U
141
56
10/31/2015
X Y n n ...
A2
Z2
1
0
1
0
ослобађа се 240 MeV
Ba Kr 3 n
92
36
1
0
70
У природном урану,
само 1 атом од 137 је
235U. Остали су атоми
238U, који има исте
хемијске особине.
Технологија
сепарација 235U од 238U
зато није тривијална
10/31/2015
71
Улога модератора:
У неким ситуацијама, неутрони могу да се
крећу превеликим брзинама...
Да би се то избегло користи се модератор
неутрона који их успорава тако да могу да
се сударе са језгрима и изазову њихово
цепање
У првим реакторима, ту улогу је вршио
угљеник.
10/31/2015
72
Критична маса
Ако имамо малу количину
језгара “родитеља”, неутрони
које произведемо неће успети
да поцепају језгра већ ће
изаћи ван препарата. У том
случају располажемо
субкритичном масом.
То значи да је неопходна
нека “критична маса” да би
се реакција наставила... Ако
је маса много већа од
критичне зове се
суперкритична....
10/31/2015
73
Нуклеарне електране
Користе се за
генерисање
електричне енергије.
У ствари при
нуклеарним
реакцијама се
ослобађа велика
количина топлоте која
се користи да загреје
воду која онда испари
и покреће турбине.
10/31/2015
74
Приметимо да постоје два одвојена водена система
10/31/2015
75
Нуклеарне електране у САД
10/31/2015
76
Проценат нуклеарне
енергије у укупној
продукцији енергије
(1999. године су
биле 452 електране
у свету, од тога
преко 100 у САД )
10/31/2015
77
Нуклеарне електране у свету
10/31/2015
78
Нуклеарне електране у Европи
10/31/2015
79
Еквивалентност масе и
енергије
При фисији се ослобађа ОГРОМНА количина енергије.
Одакле та енергије???
Ако би измерили родитељско језгро и потомке
приметили би да немају једнаку масу...
Ова разлика у маси је позната
као дефект масе. тај део масе
који је нестао је у ствари
конвертован у енергију
E = mc2
Мала количина масе може да се
конвертује у велику количину
енергије
10/31/2015
80
Нуклеарна фузија
Фузионе рекације теку на сунцу, где се лаки елемети (H)
комбинују и производе масивније – He…
На Сунцу се око 600,000,000 t H конвертује у He сваке
секунде. Сунце добија енергију на тај начин у такозваном
протон-протон циклусу, који је описаоХанс Бете.
На неким другим звездама се фузионише He или чак и неки
други масивнији елементи!
Термонуклеарна фузиона реакција се одвија и у H-бомби
(фузиона бомба).
Проблем је да се креира контролисана фузиона реакција!
10/31/2015
81
Фузија
деутеријумског и
трицијумског
језгра у хелијум
Ослобађа се око
17,6 MeV
енергије.
Деутеријум чини
око 0,015%
обичног
водоника.
Трицијум је
радиоактиван
али се он троши
као гориво у
процесу.
10/31/2015
82
Фузија
D + T
= 4He (3.5 MeV)
10/31/2015
+
n (14.1 MeV)
83
Фузија - извор енергије звезда:
Фузија – процес фузије водоника у хелијум.
Младе звезде
имају више
водоника.
Старе имају
много хелијума.
10/31/2015
84
Будућност фузије
Главни проблем је одбијање протона.
Да би се фузионисали протони, морају да буду
веома брзи, односно “топли” – да би пришли
довољно близу једни другима да нуклеарне
силе буду јаче од електростатичких.
Снажни ласери могу да загреју водоник
довољно.
Ласер од 1014W нпр.
10/31/2015
85
Тороидалне коморе са
плазмом и магнетима
10/31/2015
86
Предности фузије:
Једини потребан материјал је водоник
(има га у води).
Једини продукт је хелијум (може да се
користи за балоне).
Нема радиоактивног отпада.
Велика продукција енергије.
10/31/2015
87
Соларна енергија
Соларна енергија за добијање топлоте
и струје
Пасивно соларно грејање
Активно соларно грејање
Потребна површина за соларне системе
6 квадрата по 3.3 TW сваки
Соларни грејач воде (бојлер)
Фотоефекат
(неки) Фотони могу да избију електроне из
(неких) метала
Једино фотони који имају довољно велику
енергију
Енергија избијених електрона зависи од
фреквенције упадних фотона
Последица квантне природе фундаменталних
честица (фотони и електрони)
Кинетичка
енергија
електрона
Енергија
фотона
Fизлазни рад метала
Полупроводници
Проводна и валентна зона
Код метала се преклапају
Код изолатора, велики
процеп између њих а
проводна зона је празна
Код полупроводника
енергијски процеп је мали,
топлотно побуђење може да
буде довољно да неки
електрони пређу у проводну
зону
Додавање примеса
(допирање) може да
промени карактеристике
енергијског процепа
Фотонапонске ћелије
Конвертују светлост директно у електричну
струју
Упадни фотони креирају пар електроншупљина
Они струје кроз спој два полупроводника (p-n)
Енергијски процеп код силицијума је око 1,1
eV, што захтева фотоне од l=1,1 mm
Има их око 3х1021 фотона по метру квадратном
у секунди
При јаком сунчаном дану ћелија површине од
100 cm2 даје око 3 А и 0,5 V.
Обично се везују у модуле. 30-36 типичних
ћелија по модулу даје напон од 12V
Типови фотонапонских ћелија
Монокристални силицијум
– висока ефикасност, око 15%, прављење
једног великог кристала је скупо
Поликристални силицијум
– јефтинији, али му је ефикасност 12%
Аморфни силицијум
– танки аморфни силицијумски слој депонован
на супстрату. Добар за закривљене
површине. Ефикасност око 6%
Други материјали
– разне легуре. очекује се да буду јефтиније и
ефикасније
Примена фотонапонских ћелија
Општа
примена
– Напајање електричном енергијом
домова у селима,
– дигитрони, сатови, говорнице, ...
Специјалне
намене
– телекомуникације
– метеоролошке станице
– за сателите и космичке летелице (100
W-неколико kW)
Штедња
енергије
– Трансфер топлоте и термална
изолација
трансфер
топлоте конвекцијом
губици топлоте зрачењем
губици топлоте у зградама
Преношење топлоте
Провођење
- контакт
Конвекција/струјање
флуида
Зрачење/радијација
- кретање
– без контакта
У пракси је најчешћа комбинација свих механизама
преноса топлоте
Преношење топлоте - провођење
“Топлији” молекули имају већу кинетичку енергију-
брзину од “хладнијих” молекула
Молекули веће брзине – са леве стране сударају се са
споријим молекулима са десне стране (средина мирује)
– енергија се преноси на спорије молекуле
– топлота се преноси са топлијег дела на хладнији
I = брзина преноса топлоте (снага) = Q/t [J/s]
I = -l S (TH-TC)/L (топлота се преноси у смеру
опадања Т)
Q/t = - lS DT/Dx (Фуријеов закон)
– l = “коефицијент топлотне проводности”
јединица: J/(smК)
Добри топлотни проводници…велика l
Добри топлотни изолатори … мала l
DT/Dx – градијент температуре
– R = L/(Sl = топлотни отпор
TH
TC
L = Dx
TH
Топлији
Пресек S
TC
Хладнији
Пренос топлоте, струјањем
Струјање – конвекција (течности и гасови)
Нпр. загревамо ваздух у нижим слојевима
Шири се … густина постаје мања
На његово место долази (хладнији) гушћи ваздух
а он се као ређи (топлији) издиже увис
(Архимед).
Процес се наставља што доводи до циркулације
ваздуха
Практични аспекти
– Грејалице се постављају ближе поду
– Грејачи (у бојлеру) греју воду одоздо
грејалица
Струјање - конвекција:
Трансфер топлоте услед мешања гасова или
течности услед потиска (изазвана разликом
притисака).
Струје у окену.
Грејање или хлађење собе.
Преношење топлоте:
зрачење (радијација)
Сва око нас зрачи електромагнетске таласе
– Iemit = Q/t = eST4
Околина на T0
– Емитована топлотна Е у јединици времена
e = емисивност (између 0 и 1)
“Топла” пећ
T
– Апсолутно црно тело има e=1
T је температура тела у Келвинима
= Штефан-Болцманова константа = 5.67 x 10-8 J/(s
m2 K 4 )
– Провођење и струјање – при непосредном додиру тела.
Зрачењем нема потребе за додиром а чак није потребан
4
1
ни медијум. Топлотно зрачење.
7 , 5 10
mm l 3 , 4 10 mm
Све око нас апсорбује енергију из околине
– Iabsorb = eST04
T0 је температура околине у Келвинима
Добри емитери (e је близу 1) су такође и добри
апсорбери
Преношење топлоте:
зрачење
Све
око нас зрачи и апсорбује
енергију
Околина на T0
– Iemit = eST4
T
– Iabsorb = eST04
– Irez = Iemit - Iabsorb = eS(T4 - T04)
Ако
је T > T0, објекат се хлади
За T < T0, објекат се греје
Извор топлоте