MORSKE TEHNOLOGIJE

1. MORSKE TEHNOLOGIJE Energija iz mora 2 Predavanje 7 Doc.dr.sc. Gorana Jelić Mrčelić

2. 3. Energija plime i oseke (eng. Tidal Power) Morske mijene (plima i oseka) su naizmjenično dizanje i spuštanje razine mora nastalo pod utjecajem gravitacijske sile od strane Mjeseca i Sunca u odnosu na Zemlju. Energija morskih mijena je: • obnovljivi izvor energije, • no za razliku od energije vjetra i solarne energiju predvidljiv! U Europi se mlinovi koje pokreće struja plime i oseke (Tide Mills) koriste već gotovo 1000 godina

3. Mane: • izbor lokacije je ključan kao i kod farmi vjetra, jer se elektrane mogu postavljati na mjestima dovoljno velikih amplituda - USSR, USA, Kanada, Australija, Koreja, UK... • ciklus morskih mijena je baziran na rotaciji Mjeseca (24.8 h) a zahtjevi za električnom energijom na rotaciji Zemlje (24 h), pa proizvodnja energije nije u fazi s zahtjevom za energijom - konvencionalne metode proizvode energiju 6 do 12 sati u 24 sata, pa se javlja potreba za dodatnim izvorima energije sa kraćim vremenom pokretanja/zaustavljanja – rješenje: novi škotski izum GENTEC venturi ima puni kapacitet 24 sata dnevno

4. Princip rada: Potencijalna energija sadržana u stupcu vode E = xMg gdje je x - amplituda plimnog vala (u Bay of Fundy se zbog rezonance pojačava plimni val i može biti do 10 m - 17 m), M - masa vode, g - gravitacija.

5. Dva tipa elektrana za korištenje energije plime i oseke ovisno o energiji koju koriste: • Brane (metoda lagune) koriste potencijalnu energiju razlike u razini mora između plime i oseke (engl. head). Branom se ograđuje određeno područje. Razlika razine mora u laguni u odnosu na okolno more pokreće turbine. Najveća takva brana je (240 MW, 600 milijuna kWh) La Rance (Francuska, 1967). • Podvodne turbine koje koriste kinetičku energijustruje plime i oseke. Prikladniji su nego brana jer nema velikih zahvata u okoliš. Prikladna mjesta za postavljanje su tjesnaci ili uski fjordovi gdje postoje jake periodične struje morskih mijena (Norveška).

6. A. Elektrane koje koriste razliku u razini mora plime i oseke Brane zatvaraju bazene i zadržavaju određenu razinu vode unutar bazena. Osnovni elementi brane: • turbine, • ustave (eng. Sluice) i • odvodni kanali (eng. Culvert) smješteni su u betonskoj brani u podvodnom zvonu ili nasipu koji zatvara bazen ukoliko nema betonske brane

7. Podvodno zvono (eng. caisson) – konstruira se tako da se voda može ispumpati i radni okoliš je suh

8. Turbina

10. Razne izvedbe podizanja i spuštanja vrata ustava: • flap sluice gate — vrata se okreću oko osovine na gornjem rubu vrata. Kada je pritisak na vrata dovoljno velik vata se otvaraju. Na pritisak s druge strane vrata ostaju zatvorena. • vertical rising sluice gate — vrata se otvaraju klizanjem u vertikalnom pravcu. Upravljana su pomoću uređaja. • needle sluice — ustava se formira pomoću pritiska vode na brojne igle koje se nalaze na čvrstom okviru. • radial sluice gate — struktura kod koje mali dio cilindrične površine služi kao vrata. Vrata nosi radijalna konstrukcija koja ide kroz radijus cilindra, a nastavlja se protuutegom. • rising sector sluice gate — također dio cilindrične površine koja leži na dnu kanala diže se rotacijom oko svog centra.

11. Različiti tipovi vrata ustava

12. Način rada • Generacija za vrijeme oseke (eng. ebb generation). Bazen se napuni za vrijeme plime preko ustave i turbine koja se slobodno okreće. Kad se napuni vrata se zatvaraju i ostaju zatvorena dok razina mora izvan ustave ne padne. Kada padne, otvaraju se vrata i struja vode preko turbina generira električnu energiju (za vrijeme oseke okolnog mora). • Generacija za vrijeme plime (eng. flood generation). Bazen je prazan i preko odvodnih kanala ulazi more i turbine generiraju struju za vrijeme plime. Ovo je manje efikasno jer je manja razlika između razine vode u bazenu i u okolinom moru nego kod prvog načina.

13. Flood generation

14. Generacija i za vrijeme plime i za vrijeme oseke (eng. two-way generation). Kombinacija dva prije spomenuta načina. • Generacija pomoću dva bazena (eng. two-basin schemes). Jedan se bazen puni za vrijeme plime, a drugi se prazni za vrijeme oseke. Turbine su između njih i pokreću se propuštanjem vode iz jednog bazen u drugi. Električna energija se može proizvoditi u odabrano vrijeme, ali je skuplja investicija.

15. Environmental impact • utjecaj na kvalitetu vode jer je smanjena izmjena vode između bazena i otvorenog mora: • turbiditet se smanjuje, a smanjena količina suspendirane tvari povećava prozirnost i stvara bolje uvjete za razvoj fitoplanktona. Kroz hranidbeni lanac promjene se očituju u cijelom ekosustavu • salinitet se smanjuje • sediment veća akumulacija • zagađivačiveća akumulacija organske tvari povećava rast bakterija i prisutnost drugih zagađivača • utjecaj na žive organizme – opasnost od turbina pokušava se riješiti dizajnom turbina prilagođenim ribama (eng. fish-friendly turbine design) ili alternativnim metodama: liftovima za ribe, sonarnim navođenjem riba van turbina... • utjecaj na staništa – jaružanje, betoniranje

16. Economic considerations • visoka početna investicija (eng. high capital cost) i niski troškovi održavanja (eng. very low running cost) • potrebno je dugo vrijeme za povrat investicije – najčešće financiranje od strane Vlada

17. La Rance Tidal Barrage • Izgrađena 1960-67 • Trošak investicije oko 534 milijuna Eura • Brana duga 330m, razlika plime i oseke 8m • Turbine 11 m ispod najniže razine mora • Zadovoljava 3% potrošnje regije • Lock za prolaz malih plovila

18. La Rance Tidal Barrage 

21. B. Elektrane koje koriste struje morskih mijena Rade kao podvodne vjetrenjače koje se okreću oko vertikalne osi. Kako je morska vode 832 puta gušća od zraka, struja morskih mijena od 8 čvorova ekvivalentna vjetru od 390 km/h. Turbina se nalazi u betonskom oklopu koji leži na morskom dnu (podvodno zvono), a kompjuterski je optimiziran protok. Rotacija turbine je u oba smjera. Rotor od 4 propelera spojen je s generatorom koji je iznad površine mora radi lakšeg održavanja.

22. Razne izvedbe elektrana koje koriste struje morskih mijena – eng. tidal fence

23. Razne izvedbe elektrana koje koriste struje morskih mijena

24. Projekti za budućnost The Stingray (raža) kut velikih hidrokrila (hydroplanes) mijenja se ovisno o struji mijena i ovo se gibanje prenosi na cilindar. Visokotlačno ulje (eng. high-pressure oil ) pokreće hidraulični motor koji pogoni generator.  

25. Tidal "wind farms“ (elektrane za morske mijene po uzoru na vjetroelektrane) Novi modeli s turbinama sličnim onima na farmama vjetra

26. 4. Energija morskih struja Plutajuće splaviUčvršćene su za oceansko dno i mogu se smjestiti udaljeno od obale. Struje pokreću turbine smještene su ispod površine splavi.

27. Belco alternativna elektrana • potpuno je uronjema – i rotor i 150 stopa dugi, uronjeni morski generator s ugrađenom turbinom s 4 lopatice

28. 5. Energija sunca (eng. solar power) • dobivanje energije iz sunčeva svjetla • sve je više u upotrebi • danas se sunčeva energija koristi za: grijanje, dobivanje električne energije, desalinizaciju vode... • pogodno je za korištenje u udaljenim područjima (i svemiru)

29. Distribucij solarne energije na Zemlji (1991-1993) – crnim diskovima označena su područja koja bi trebala proizvoditi energiju

30. Prednosti: • nema zagađenja • lako održavanje i niski operativni troškovi • minimizacija distribucijskih troškova - isplativa za udaljena područja, pogotovo za satelite, otoke i oceanske brodove • povoljna za vršna opterećenja Nedostatci: • ograničeno dobivanje energije – ovisi o insolaciji (noć, oblaci) • pouzdani sustavi zahtijevaju skladištenje energije ili pomoćni izvor • solarne ćelije proizvode istosmjernu struju koja se mora prevesti u izmjeničnu - gubitak 4-12%

31. Direktno korištenje solarne energije: • Fotovoltažne ćelije – električna energija • Sunce grije termalne mase (vodu, zrak) Indirektno: • Biogoriva – nastaju fotosintezom biljaka • Fosilna goriva – sunčeva energija zarobljena u biljkama u geološkoj prošlosti • Hidroelektrane i turbine pogonjene vjetrom – sunčevo djelovanje na klimu (uslijed različitog zagrijavanja Zemlje nastaju morske struje i vjetrovi) • Ocean thermal energy production (OTEP) – koristi razliku u temperaturi gornjih i donjih slojeva mora

32. A. Sustavi za solarno grijanje Solarni sustavi tople vode sastoje se termalnih kolektora i tanka za skladištenje. Koriste se od domaćinstava do svemira. Postoje tri osnovna sustava: • Aktivni – koristi pumpe kojima cirkulira voda ili drugi fluid • Pasivni – koristi prirodnu cirkulaciju vode ili fluida • Sustavi koji koriste tankove direktno grijane Suncem

33. Solarna ploča (fotovoltažni uređaj) može puniti baterije od 12 V i do 9 A na direktnom suncu

34. B. Solarno jezero – sustav za čuvanje solarne energije Tehnološki nezahtjevan i jeftin način sakupljanja i čuvanja solarne energije Princip – tri sloja vode: • Gornji niskog saliniteta • Srednji izolirajući sloj s gradijentom saliniteta – sprječava izmjenu topline • Pridneni sloj visokog saliniteta – temperature 90ºC – čuva toplinu

35. C. Ocean thermal energy conversion (OTEC) – konverzija toplinske energije oceana Način generiranja električne energije na osnovu temperaturne razlike morske vode na različitim dubinama – pokretanja toplinskog stroja (eng. heat engine). Hladna voda iz oceanskih dubina (oko 1 km dubine) pumpa se na površinu i energija se dobiva iz toka topline između tople površinske i hladne dubinske vode.

36. Temperatura poršiskih slojeva mora u različitim geografskim područjima

37. Vertikalna razdioba temperature u ekvatorijalnom području

38. Prednosti: • veliki potencijal - ovako raspoloživa energija je do dva reda veličine veća nego drugi izvori oceanske energije Nedostatci: • tehnološki zahtjevno i skupo - sva OTEC postrojenja zahtijevaju skupe cjevovode velika promjera koji su uronjeni milju ili više u oceanske dubine • OTEC se koristi u tropskim područjima (između 20º N i S) • postojeći OTEC sustavi imaju efikasnosti svega 1 do 3%.

39. Povijest OTEC-a • Prvi pokušaji 1800-ih francuski fizičar Jacques Arsene d'Arsonval, • d'Arsonvalov student Georges Claude izradio prvo OTEC postrojenje (Kuba, 1930) • 1935 Claude je konstruirao drugu elektranu na 10 000 tonskom teretnom brodu usidrenom uz obale Brazila - vrijeme i valovi su uništili obje • 1956 izgradio je treće OTEC postrojenje za Abidjan (Obala bjelokosti) – nikad nije dovršena jer je bila preskupa • 1962 J. H. Anderson i J. H. Anderson Jr. Napravili su novi, efikasniji dizajn

40. 1974 Vlada SAD osniva vodeći test-laboratorij OTEC tehnologije the Natural Energy Laboratory of Hawaii Authority: • 1979 mini OTEC eksperiment brod usidren 1.5 milju od Havaja – prvo uspješno dobivanje električne energije na moru za osvjetljenje, rad kompjutera i TV na brodu • 1993 najveće OTEC postrojenje na kopnu u Keahole Point, Hawaii, • 1999 najveće OTEC postrojenje na moru – od tada nije bilo testiranja OTEC tehnologije u SAD-u • India – pilot projekt 1 MW floating OTEC plant blizu Tamil Nadu

41. OTEC u Keahole Point na obali otoka Kona - Hawaii.

42. Plutajuća OTEC elektrana napravljena u Indiji 2000. Cijevi koje se koriste za OTEC

43. Podjela: ovisno o lokaciji: • na kopnu • na kontinentskom šelfu uronjene ispod površine (konceptualno) • plutajuće ovisno o ciklusu: • otvoreni • zatvoreni • hibridni

44. Sustavi otvorenog ciklusa koriste toplu površinsku vodu tropskih mora koja u spremniku niskog tlaka ključa. Para koja ekspandira pokreće nisko-tlačnu turbinu koja je spojena s generatorom. Para se kondenzira u dodiru s hladnim vodom iz dubina.

46. b. Sustavi zatvorenog ciklusa koriste fluid s niskom točkom vrenja (amonijak) za pokretanje turbina. Topla površinska morska voda pumpa se kroz izmjenjivač topline gdje fluid isparava. Pare koje ekspandiraju okreću turbo-generator. Hladna pridnena voda pumpa se kroz drugi izmjenjivač topline gdje se fluid kondenzira i vraća u ciklus.

48. c. Hibridni sustavi kombiniraju karakteristike oba sustava. Topla morska voda ulazi u vakuum komoru i trenutačno se pretvara u paru (kao u otvorenom sustavu). Para izaziva isparavanje fluida niskog vrelišta (kao u zatvorenom sustavu) koji pokreće turbinu.

49. Brod za konverziju toplinske energije Sunca pohranjene u moru