Gotovo dvije milijarde ljudi diljem svijeta nema pristup električnoj energiji i taj će se problem pogoršavati rastom populacije. Globalno oslanjanje na fosilna goriva i velike hidroelektrane ostat će trend bar do 2020. godine, ali to neće biti dovoljno za zadovoljavanje rastućih potreba čovječanstva. Cilj je ovog članka prikazati stanje u svijetu, koje je postojeće u odnosu na sve vrste energija

Život na Zemlji nastao je i opstao milijunima godina zahvaljujući pogodnim klimatskim uvjetima. Klima se može promatrati kao obnovljivi resurs kojemu je energetska komponenta energija sunca, a materijalna komponenta su oceani kao rezervoari za vodu. Energija sunca potiče kruženje vode na Zemlji i time omogućava život. Tamo gdje nema vode nema ni kvalitetnog života, npr. u pustinjama. Klimatske promjene na zemlji dostigle su takvu razinu da se može govoriti o klimatskoj krizi. Vizija izlaska iz te krize je vrlo jasna i to je povratak na manje štetne izvore energije. No, lobiji koji zagovaraju daljnju uporabu fosilnih goriva i nuklearne energije daleko su premoćni na tržištu energije i trenutačno nema nikakvih naznaka usporavanja potrošnje “prljavih” izvora energije. Takav pristup mogao bi u budućnosti znatno promijeniti klimu, a time bi život klimatski osjetljivih biljaka i životinja bio ugrožen. Budući da sve vrste žive u prirodnoj ravnoteži to bi utjecalo na cijeli biološki sustav Zemlje. Da bi se izbjegla takva budućnost Zemlje, neke države počele su poticati programe štednje energije i prelazak na “čiste” izvore energije. Globalno gledano za sada nema velikog napretka u tome, jer je količina energije dobivena na taj način zanemariva prema energiji dobivenoj od fosilnih goriva i nuklearnih elektrana.
Za lakšu usporedbu energetske vrijednosti različitih goriva rabi se British Thermal Unit (btu). 1 btu je energija potrebna da se 1 pound (1 pound = 0,4536 kg) vode zagrije za jedan stupanj fahrenheit (1°F = 0,5556°C).
1 btu = 1055.8 J
1 barel (115.6 litara) sirove nafte = 5.800.000 btu
1 kilovat-sat (kWh) električne energije = 3.412 btu
1 litra dizelskog goriva = 36.720 btu
1 litra benzina = 32.757 btu
1 m2 prirodnog plina = 36.241 btu
1 kratka tona ugljena (907.18 kg) = 20.401.000 btu
1 toe (tonne oil equivalent) = 39.687.200 btu

Na shemi 1 prikazana je svjetska potrošnja energije od 1900. do 1997. godine. Na slici se primjećuje da se u prvoj polovici 20. stoljeća potrošnja energije udvostručila, a nakon toga dolazi do znatnog povećanja potrošnje energije u drugoj polovici prošlog stoljeća. Ukupno se potrošnja energije povećala deset puta u odnosu na početak stoljeća.
Glavni izvori energije u dvadesetom stoljeću bili su neobnovljivi izvori energije. To su:
• ugljen
• nafta
• prirodni plin
• nuklearna energija
Ugljen, nafta i prirodni plin nazivaju se još i fosilna goriva. Dva osnovna problema kod neobnovljivih izvora energije su da ih ima u ograničenim količinama i da onečišćuju okoliš. Sagorijevanjem fosilnih goriva oslobađa se velika količina CO2 koji je staklenični plin. Najvjerojatnije je zbog toga došlo do globalnog porasta temperature na Zemlji. Nuklearna goriva nisu opasna za atmosferu, ali tvari nastale kod nuklearne reakcije ostaju radioaktivne još godinama i trebaju biti uskladištene u posebnim prostorijama. Kod obnovljivih izvora energije nema takvih problema. Najvažniji obnovljivi izvori energije su:
• energija vjetra
• energija sunca
• bioenergija
• energija vode

Obnovljivi izvori energije ne onečišćuju okoliš u tolikoj mjeri kao neobnovljivi, ali nisu ni oni svi potpuno čisti. To se poglavito odnosi na energiju dobivenu iz biomase koja kao i fosilna goriva pri sagorijevanju ispušta CO2. Ako izuzmemo energiju vode, glavni problemi kod obnovljivih izvora su cijena i mala količina dobivene energije. Potencijali obnovljivih izvora energije su golemi, ali trenutačna tehnološka razvijenost ne dopušta nam oslanjanje samo na njih. O svakoj vrsti energije bit će predstavljena postojeća saznanja.

Efekt staklenika (Greenhouse)
Na slici 1. prikazan je efekt staklenika. Dio reflektiranog sunčeva zračenja se apsorbira u stakleničnim plinovima (CO2, N2O, CH4, HFC, PFC, SF6) i taj efekt osigurava da temperatura na Zemlji bude takva kakva je. Da nema efekta staklenika temperatura na Zemlji bila bi 30°C niža. Budući da se koncentracija ugljičnog dioksida povećala tijekom zadnjeg stoljeća efekt staklenika je sve izraženiji. Posljedica toga je globalno povećanje prosječne temperature. Posljedice globalnog zatopljenja su topljenje polarnih kapa, dizanje razine mora, utjecaj na poljoprivredu i slično. Glavni izvori CO2 su sagorijevanje drva i biomase, deforestacija i sagorijevanje fosilnih goriva. Da bi se smanjila emisija CO2 u atmosferu, 1997. godine donesen je Kyoto protokol. Tim protokolom se zemlje potpisnice obvezuju sudjelovati u smanjenju emisije CO2 u atmosferu. Za svaku zemlju je zadan postotak smanjenja emisije CO2, a odnosi se na smanjenje do 2012. u odnosu na 1990. godinu. Prosječno planirano smanjenje do 2012. godine je 5,2%. Do sada je 97 zemalja ratificiralo Kyoto protokol, koje sudjeluju u samo 37% ukupno planiranog smanjenja emisija. Glavni problemi kod Kyoto protokola su da nije opće prihvaćen (SAD) i veliki troškovi zamjene trenutačnih “prljavih” izvora energije “čistim” izvorima energije. Pod “prljavi” izvori energije misli se na spaljivanje biomase i na fosilna goriva, dok su “čisti” izvori energije nuklearne elektrane i obnovljivi izvori bez biomase. Hrvatska je potpisala Kyoto protokol 1999. godine. Po Kyoto protokolu Hrvatska bi trebala smanjiti emisiju CO2 u atmosferu za 5% do 2012.

Slika 1. Efekt staklenika
Budući da ljudi u atmosferu otpuštaju velike količine ugljičnog dioksida, efekt staklenika na Zemlji sve je izraženiji. Mnogi znanstvenici vjeruju da je to uzrok globalnog povećanja temperature.
Trenutačni odnos izvora energije
Glavni izvor energije za pokrivanje trenutačnih potreba čovječanstva su fosilna goriva koja daju 85-90% energije. Nafta je najvažnija sa 35%, a ugljen i prirodni plin su podjednako zastupljeni. Gotovo 8% energije dobiva se iz nuklearnih elektrana, a tek 3,3% energije dolazi od obnovljivih izvora. Većina energije dobivene iz obnovljivih resursa odnosi se na energiju vode. Ostali obnovljivi izvori energije su trenutačno energetski zanemarivi. Budući da ćemo u budućnosti morati podmiriti sve svoje energetske potrebe iz obnovljivih izvora energije, moramo izmisliti neki način kako pretvoriti obnovljive resurse u korisnu energiju. Glavno ograničenje u tome su skupa i dugotrajna istraživanja, a većina primjena svodi se na proizvodnju električne energije. Cijenu istraživanja povećava i raznolikost obnovljivih izvora energije.
Potrošnja električne energije u Hrvatskoj
U Hrvatskoj je u posljednjem desetljeću došlo ne samo do zastoja gradnje elektrana već i do zastoja ozbiljnijih pripremih radova za takvu gradnju. Istodobno potrošnja električne energije neprestano raste, a glavnina postojećih termoelektrana u Hrvatskoj se približava kraju svojeg radnog vijeka. Raspoloživost uvozne električne energije je vrlo upitna, jer se viškovi energije u europskim zemljama smanjuju. Paralelno sa smanjenjem viškova raste cijena uvezene energije. Deregulacija energetskog sektora, kako kod nas tako i u drugim zemljama, destimulira ulaganje u proizvodnju električne energije i dovodi do izrazitog smanjenja rezervi energije u elektroenergetskom sustavu. Očekivana svrha deregulacije proizvodnog dijela elektroprivrede ne može postići očekivani cilj (smanjenje cijene električne energije zbog konkurencije elektrana) ukoliko je ponuda energije manja od potražnje.

Ekonomski razvoj svake zemlje je vezan uz potrošnju električne energije. Veza između stope rasta bruto društvenog proizvoda (BDP) i stope rasta potrošnje električne energije je ispitana za niz zemalja na različitim razinama ekonomskog razvoja i kod svih je utvrđeno da je odnos tih stopa (poznat kao faktor elastičnosti) ne samo pozitivan nego i blizak jedinici. Kod manje razvijenih zemalja je u prosjeku viši i bliži jedinici nego kod visokorazvijenih zemalja jer se još uvijek odigrava prestrukturiranje potrošnje u korist električne energije. Postoje znatne razlike i između zemalja istog stupnja razvijenosti, ovisno u kojoj se mjeri električna energija rabi za proizvodne i uslužne djelatnosti a u kojoj za domaćinstva. O tim zakonitostima treba voditi računa i kod planiranja potrošnje električne energije u Hrvatskoj, jer se očekivana stopa rasta BDP u budućem razdoblju neće moći ostvariti bez odgovarajuće stope rasta potrošnje električne energije. Novi fenomen sa kojim se nije računalo je porast ljetne potrošnje električne energije zbog sve većeg broja klima uređaja.
Budući da je gradnja elektrana u Hrvatskoj već niz godina usporena, veći dio današnjih termoelektrana je neekonomičan i zastario te bi do godine 2020. godine trebao izaći iz redovitog pogona. To se odnosi na sve postojeće termoelektrane, osim TE Plomin, Te-To novi blok i NE Krško. Ukupna snaga jedinica koje će zastarjeti između 2010. i 2020. godine je oko 1200 MW, pa bi paralelno s gradnjom novih termoelektrana za pokriće povećane potrošnje trebalo zamijeniti i postojeće zastarjele jedinice. Iz navedenog slijedi da bi i uz planiranu vrlo skromnu stopu porasta potrošnje električne energije (koja je prema Masterplanu oko 2%, dok se porast BDP očekuje s najmanje 3%, što nije kompatibilno) za pokriće konzuma do godine 2020. trebalo u Hrvatskoj izgraditi ukupno 2000-2200 MW novih temeljnih elektrana.
Raspoloživost energenata

Zbog nedostatka vlastitih izvora energije Hrvatska je primorana zasnivati svoj razvoj na uvoznim energentima (plin, ugljen, nuklearno gorivo). Mogućnost pokrića konzuma proširenjem uporabe vlastitih obnovljivih izvora (hidroelektrane, vjetrene i solarne elektrane) je gotovo zanemariva.
Hrvatska mora svoje programe razvoja elektroenergetike uskladiti i s planovima drugih europskih zemalja (posebno onih koje je okružuju).To se posebice odnosi na diverzifikaciju u uporabi puteva dobave i vrste energenata i na osiguranju opskrbe svojih potrošača vlastitom proizvodnjom električne energije (uz osiguranje mogućnosti prijenosa električne energije u susjedna područja radi mogućnosti izmjena energije i boljeg osiguranja opskrbe potrošača u iznimnim uvjetima).
Danas, tj. po današnjim cijenama plina, su ekonomski najprihvatljivije elektrane na prirodni plin s kombiranim ciklusom. Termoelektrane na ugljen su mnogo manje prihvatljive s ekološkog (posebno zbog visoke emisije CO2) i ekonomskog stajališta. U Hrvatskoj je dodatni problem što uporaba uvoznog ugljena traži lociranje elektrane na Jadranskoj obali.
U pogledu uvjeta uporabe plina u elektroenergetici se u sljedećem desetljeću ne mogu očekivati poboljšanja već naprotiv zaoštravanje. Deficit tog energenta u Europi oko godine 2020. se očekuje na razini 400 milijardi m3. Potrošači će ovisiti o pravodobnoj realizaciji projekata velikih plinovoda i pripadajuće infrastrukture s trasama dugim 4000-6000 km koje prelaze kroz više zemalja. Investicije u gradnju plinovoda su veoma visoke te će vlasnici plinovoda i plinskih sustava (najvjerojatnije velike naftne kompanije) bezuvjetno poduzeti sve mjere da osiguraju profitabilnost ulaganja. U takvim uvjetima položaj dobavljača plina o odnosu na potrošače (posebno ako ovi nemaju alternativu) postaje u znatnoj mjeri monopolistički. U posebno se nepovoljnom stanju mogu naći mali potrošači poput Hrvatske. Problem se može donekle ublažiti osiguranjem dugoročnih ugovora za sigurnu dobavu plina pod određenim uvjetima i/ili gradnjom LNG terminala koji omogućuju diverzifikaciju dobave.

Zbog navedenih razloga se u analizama buduće proizvodnje električne energije u svim zemljama potencira važnost diverzifikacije izvora dobave energenata i vrsta energenata
Planiranje razvoja elektroenegetskog sustava je veoma odgovoran i zahtjevan posao jer traži ne samo poznavanje sadašnjeg stanja već i anticipiranje razvoja konzuma, tehnologija elektroenergetskih objekata kao i raspoloživosti i cijena energenata

Energija vjetra
Iskorištavanje energije vjetra je najbrže rastući segment proizvodnje energije iz obnovljivih izvora. U zadnjih nekoliko godina turbine na vjetar znatno su poboljšane. Najbolji primjer je njemačko tržište turbina na kojemu se prosječna snaga od 470 kW 1995. godine povećala na 1280 kW 2001. godine. To povećanje snage postiglo se odgovarajućim povećavanjem veličine turbina gonjenih vjetrom. Trenutačno su u razvoju turbine koje će moći generirati snagu između 3 i 5 MW. Neki proizvođači već su predstavili svoje prototipove u tom razredu snage (njemačka tvrtka Enercon trebala bi proizvesti turbinu snage 4,5 MW). U nastavku teksta rabit ćemo izraz vjetrenjača zbog raširenosti tog izraza kod nas. Još se koriste izrazi vjetroelektrana, vjetrogenerator, električne turbine na vjetar i slično. Na shemi 2. prikazana je usporedba plana Europske unije sa trenutačnim stanjem proizvodnje energije iz vjetra. Prema sadašnjim pokazateljima plan će biti ostvaren, čak će biti premašen za pola. Vrijednosti na shemi 2. su u megavatima (MW) i iz toga se vidi da je ukupna proizvedena energija zanemariva prema energiji dobivenoj iz neobnovljivih izvora energije. Zbog početne ekonomske neisplativosti i nestalnosti vjetra, instalacija vjetrenjača je privilegija koju si mogu priuštiti samo bogate zemlje.

Shema 2. Trend rasta proizvodnje energije iz vjetra i usporedba s ciljem Europske unije do 2010. godine. Zadani cilj će vjerojatno biti premašen za oko 100%
Trenutačno je cijena vjetrenjače veća od cijene termoelektrane po MW instalirane snage (vjetrenjača košta oko 1000 eura/kW instalirane snage, a termoelektrana 700 eura/kW), ali razvojem tehnologije ta razlika sve je manja. Ukupna potrošnja energije u svijetu procijenjena je na oko 410×1015 (kvadrilijuna Btu) u 2000. godini, što iznosi 1,2×1014 kWh godišnje. Ukupno instalirana snaga vjetroelektrana do konca 2002. godine predviđena je na 17415 MW s prosječnim godišnjim radom elektrana od 2 500 sati, što daje 0,044×109 kWh godišnje raspoložive količine energije. Dakle, udio energije vjerta u ukupnoj potrošnji energije je vrlo mali.

Shema 3. Trenutačni trend instaliranja elektrana na vjetar
Njemačka je trenutačni lider u proizvodnji električne energije iz vjetra sa 8750 MW, a to je više od jedne trećine ukupno instalirane snage vjetrenjača u svijetu. Toliko instaliranih vjetrenjača u Njemačkoj rezultat je politike njemačke vlade koja poticajnim mjerama pomaže instalaciju novih kapaciteta. Zbog toga se u 2001. godini ukupno instalirana snaga povećala za 43,7%. U Španjolskoj, Danskoj i Italiji također raste instalirani kapacitet. Od ukupne proizvodnje električne energije Danska dobiva 14% od vjetra i dalje ubrzanim tempom gradi nove kapacitete. Namjera Danske je da takvim pristupom do 2030. godine 50% energetskih potreba kućanstava zadovolji iskorištavanjem energije vjetra. U SAD-u je trenutno instalirano 6374 MW vjetrenjača. Tako mala instalirana snaga u gospodarski najjačoj zemlji svijeta rezultat je tradicionalnog američkog oslanjanja na fosilna goriva. U Hrvatskoj zasad nema većih dosega na tom području. Studije su pokazale da kod nas instaliranje generatora na vjetar ne bi bilo isplativo čak ni na nekim otocima gdje vjetar puše skoro cijelu godinu. Unatoč tome gradi se polje vjetrenjača na otoku Pagu. Naizgled, pozicija je idealna za vjetrenjače jer većina ljudi odmah pomisli na senjsku buru u podvelebitskom kanalu. Ali ta bura koja katkad puše i više od 150 km/h nije dobra za generiranje struje jer takav vjetar može jedino razbiti vjetrenjaču. Povoljan vjetar je onaj koji je umjeren i stalan, a takav je npr. maestral koji puše ljeti s mora prema kopnu.
Nastanak vjetra
Energija vjetra je transformirani oblik sunčeve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava različite dijelove Zemlje i to rezultira različitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog težnje za izjednačavanjem tlakova zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima pušu takozvani stalni (planetarni) vjetrovi i na tim područjima je iskorištavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su obale oceana i pučina mora. Pučina se ističe kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali cijene instalacije i transporta energije koče takvu eksploataciju. Kod pretvorbe kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju (okretanje osovine generatora) iskorištava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemački fizičar dao je još davne 1919. godine zakon energije vjetra, a koji je publiciran 1926. godine u knjizi “Wind-Energie”. Njime je dan kvalitativni aspekt znanja iz mogućnosti iskorištavanja energije vjetra i turbina na vjetar. Njegov zakon kaže da možemo pretvoriti manje od 16/27 ili 59% kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju pomoću turbine na vjetar. Tih 59% je teorijski maksimum, a u praksi se može pretvoriti između 35% i 45% energije vjetra.

Shema 4. Načelo pretvorbe i način priključivanja vjetrenjače na električnu mrežu. Moguća primjena je da se energija dobivena iz vjetra rabi kao sekundarni izvor energije za kućanstvo
Kao dobre strane iskorištavanja energije vjetra ističu se visoka pouzdanost rada postrojenja, nema troškova za gorivo i nema onečišćenja okoline. Loše strane su visoki troškovi izgradnje i promjenjivost brzine vjetra (ne može se jamčiti isporučivanje energije). Za domaćinstva vrlo su interesantne male vjetrenjače snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim područjima. Kad se koriste kao primarni izvor energije, nužno im se dodaju baterije (akumulatori) u koje se energija sprema kad se generira više od potrošnje. Velike vjetrenjače često se instaliraju u park vjetrenjača i preko transformatora spajaju se na električnu mrežu.

Ankica ČIŽMEK