Енергија и животна средина

1. Енергија и животна средина

2. Наше потребе за енергијом • извори енергије • необновљиви • фосилна горива • нуклеарна енергија • обновљиви • обновљиви извори енергије • хидроелектране • плима • ветар • таласи • Биомаса • Соларна енергија • Соларни колектори • соларне ћелије • Штедња енергије • Трансфер топлоте и термална изолација • трансфер топлоте конвекцијом • губици топлоте зрачењем • губици топлоте у зградама

3. Увод • човек < - > атмосфера • глобално загревање – повећање концентрације СО2 • у највећој мери последица сагоревања фосилних горива • економски раст и потреба за енергијом • колико енергије нам треба? • колики су нам извори енергије? • да ли постоје јефтинији и чистији извори енергије?

4. Светска емисија угљен диоксида - подсетник Укупно Течна горива Чврста горива Гасна горива 8 7 6 5 109тона 4 3 2 1 0 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Година

5. Потребе за енергијом • Највише коришћене врсте енергије • у већој мери фосилна горива • гас • нафта • угаљ • у мањој • дрво • биоотпад • У почетку углавном угаљ • од 1950 нафта • јединица за меру=еквивалентна тона нафте (1 toe = 1,33 kW) • Укупна потрoшња 1990. године = 8730 милиона toe = 12 TW

6. Начини на које се користи енергија • 40% за грејање и хлађење • 20% за загревање на високим температурама-изнад тачке кључања воде (индустрија) • 30% за транспорт • 5-10% за уређаје на струју (осветљење, електронски уређаји, ...)

7. Потрошња енергије • У чему је изражавати? • тона еквивалентне нафте (1 toe = 1,33 kW) • Британска термална јединица - BTU • 1 BTU = топлотна енергија потребна да подигне температуру једне фунте воде за један степен Фаренхајта.

8. 1,8F= 1 C • 1 funta = 0,4536 kg • 1 BTU = 1055 J. • 1BTU је веома мала јединица. једна обична дрвена шибица ~ 1BTU енергије. • већа јединица - квад. • 1 квад = 1 квадрилион BTU, односно 1.000.000.000.000.000 BTU.

9. Потрошња енергије по регионима

10. Број људи на свету Достиже максимум јер прираштај опада

11. Прираштај становништва Негативан прираштај је повезан са проблемима у обезбеђивању енергије

12. Потрошња енергије има (горњи) лимит График има асимптоту на око350 MBtu по човеку годишње oдносно на 12 kWпо човеку, уз претпоставку да ће број ставновника расти до око 8.3 милијарди. USA: 350 Mbtu/човек/година (12 kW/човек) Друге индустријализоване земље: 200 MBtu/човек/година (7 kW/човек) Свет: 75 Mbtu/човек/година (2.5 kW/човек) Земље у развоју: 35 MBtu/човек/година (1 kW/човек)

13. Производња сирове нафте Нема нових изворишта нафте!

14. Новооткривени извори сирове нафте у свету Површина испод обе криве је практично иста: ~2x1012барела (1 барел нафте=42 галона=159 литара).

15. Производња гаса Нема довољно нових извора гаса да би се повећала производња

16. Новооткривени извори гаса нафте у свету Површине испод кривих су исте : ~8x1015 cu. ft. (кубне стопе)

17. Угаљ Максимум око 2065. Познате резерве угља Најновије анализе (energywatchgroup.org)указују да су познате резерве угља око половине свих резерви које постоје на Земљи.

18. Везе између енергијских јединица 1 тона угља= око25.2 MBtu. 1 барел(42 галона) сирове нафте= око5.8 MBtu. 1 tcf (thousand cubic feet) природног гаса = око1 MBtu.

19. Eнергија од фосилних горива Максимум око 2025. Иако је максимум количине угља око 2065, максимум нафте је већ постигнут док ће гаса бити убрзо тако да ће фосилна енергија имати максимум око 2025.

20. Пројекција броја људи на Земљи Број људи са обновљивим изворима енергије Број људи без обновљивих извора енергије

21. Енергија фосилних горива & Потрошња Светска потрошња од 12-kW/човек Недостатак у енергији! Енергија фосилних горива

22. Фисиона нуклеарна енергија?

23. Енергија од Уранијума Укуна енергија коју производе нуклеарни реактори није велика. Двострука енергија уранијума- мало вероватно да га толико има! Енергија уранијума који се данас користи

24. Фосилна горива+уранијум и светска потрошња енергије Уранијум није од велике помоћи. Потребни су нови извори енергије.

25. Енергетски дефицит фосилних горива и Уранијума Фосилна горива& Уранијум Потребни су нови звори енергије

26. Врсте енергије • Примарни извори • обновљиви • сунце • вода • ветар • биомаса • геотермални извори • нуклеарна енергија • необновљиви • фосилна горива – угаљ, нафта, природни гас • Секундарни извор-електрична енергија • она се добија из примарних извора

27. Обновљиви извори • Њихово учешће у укупној енергији данас је веома мало • хидроелектране, око 6% • биомаса (сагоревање биљака), 1,5% • плима, соларна енергија, геотермална – заједно око 0,5%

28. Хидролошки циклус • Хидромеханичка енергија - енергија коју поседују речни токови - последицу природних кретања воде под дејством топлоте Сунца и гравитације. • обновљиви извор - обнавља се стално падавинама снега или воде у циклусу кружења воде.

29. Принцип рада хидроелектране Електричнаенергија Потенцијална енергија Струја Кинетичкаенергија Механичка енергија

30. Највећи произвођачи енергије у хидроелектранама

31. Највеће бране у свету

32. Хидроенергија • конвертује се потенцијална енергија воде ккоја се налазила на висини h, у кинетичку • густина воде r, запремински протокQ, максимална снага P0која може да се генерише је

33. Пелтонова импулсна турбина • млаз воде брзине um погађа лопатице брзине ul у доњем делу турбине • у идеалном случају лопатица скреће млаз за 1800. • у систему референце лопатице, брзина млаза воде, пре удара у њу је um - ul , док је након удара иста по интенз. само супротно усмерена. • сила којом млаз делује на лопатицу је

34. Пелтонова импулсна турбина има максимум за • трансферисана снага • тада је у потпуности предата кинетичка енергија млаза турбини и њена ефикасност је 100% • реално је од 50% (за мале турбине ~10 MW) до 90% (за велике комерцијалне системе)

35. Плима и осека

36. Плима и осека • највидљивији резултат деловања гравитације Месеца на Земљу • упрошћени приказ • Месец привлачи Земљу јаче него воду са друге стране • Земља ротира око своје осе а места на којима су плиме задржавају свој положај у односу на Месец • 2x дневно се појављују • откуд плима и са друге стране? • колико пута дневно се дешава? • да ли Сунце, као најмасивније тело у планетарном систему има утицај на плиму и осеку?

37. Утицај Сунца на плиму и осеку • утицај Сунца је половина утицаја Месеца • највеће плиме – пролећне – када су Земља, Месец и Сунце у једној линији

38. Утицај Сунца на плиму и осеку • утицај Сунца је половина утицаја Месеца • најниже када је Сунце под правим углом у односу на линију која спаја положаје Земље и Месеца

39. Коришћење плиме за производњу енергије • Брана се прави да одвоји залив од мора. • она дозвољава плими да прође кроз њу и напуни базен. • када дође до осеке, вода пролази кроз турбину, покреће је и генерише струју.

40. Коришћење плиме за производњу енергије • Брана се прави да одвоји залив од мора. • она дозвољава плими да прође кроз њу и напуни базен. • када дође до осеке, вода пролази кроз турбину, покреће је и генерише струју.

41. Коришћење плиме за производњу енергије Просечна снага која се ослободи по једном плимском циклусу периода t је • Нека је разлика у висини између плиме и осеке R,површина залива иза бране S,густина воде r. Њена маса је онда m= r SR. Центар гравитације се налази на R/2(ниво воде иза бране није стално Rкада она почне да истиче) • Потенцијална енергија која се ослободи при кретању воде у једном плимском циклусу је

42. Коришћење таласа за производњу енергије • Oсцилујући водени стуб • Долазећи талас изазива померање ваздушног стуба на горе у цеви и тера турбину да се окреће • Одлазећи талас вуче за собом ваздух и тако опет окреће турбину

43. Таласи на мору-”гравитациони” • Таласе на мору изазива ветар када прелази по површини воде • Таласна дужина l, амплитуда А и висина H=2A • Дубока вода (h > l/2), фазна брзина таласа је • Плитка вода (h<l/20) • Општи случај-између ова два (l/2<h<l/20)

44. Енергија таласа Реални таласи су суперпозиција више таласа-усредњавање и обрачун по таласној дужини даје • Таласи су хармонијски систем. Енергија садржана у таласу (по јединици хоризонталне површине) може да се запише као • Снага • где је Hs – значајна висина (просечна висина таласа=4хстандардна девијација елонгације) а Tsзначајни период – период доминантне осцилације • Типичан талас на океану има амплитуду око 1 метар и садржи у себи око 70 kW m-1

45. Предности плиме, осеке и таласа • Обновљив • има је довољно (процена је да може да произведе 16% потребне енергије.) • Нема загађења (осим у току изградње) • Вода је бесплатан извор • Углавном не спречава миграцију водених животиња

46. Недостаци плиме, осеке и таласа • Утиче на приобални морску флоруу и фауну • скупе су (око 1.2 милијарди долара.) • има негативан утицај на туризам (мења визуелни изглед обале, спортски риболов, пливање, ...) • одржавање је скупо • трансфер произведене енергије је скуп • проузведена снага није константна (због промене таласа) http://www.geology.wisc.edu/~pbrown/g410/tidal/tidal.html http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/wavereport/wave.pdf

47. Енергија плиме данас Плима се веома мало користила кроз историју. Данас су направљене инсталације на више места у свету • Француска (La Rance, 240 MW) • Велика Британија • Бивши СССР • Канада • САД У принципу је могуће добити велику количину енеригије на овај начин али је то, са данашњом технологијом, још увек релативно скупо

48. Ветар модерне турбине – пропелери са две или три лопатице – пречник 33 м генеришу око 300 kW при брзини ветра око 50 км на час (6 по Бофоровој скали) Острво Фаро, 50 MW, што чини око 90% потреба, а цена је 4/13 цене енергије добијене сагоревањем фосилних горива. велики системи – фарме ветрова. велике фарме су непопуларне јер нарушавају природну лепоту • стара идеја – 1800. године, више од 10 000 ветрењача у Великој Британији

49. Производња електричне енергије ветром

50. Ветар Запремина ваздуха која прође кроз попречни пресек S за време t је • Кинетичка енергија јединице запремине ваздуха • Снага је • Снага по јединици површине је