TEHNIČNA, OKOLJSKA IN DRUŽBENA SPREJEMLJIVOST PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

ANDRAŽ KRIVEC

TEHNIČNA, OKOLJSKA IN DRUŽBENA SPREJEMLJIVOST

PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE

Diplomsko delo

Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika

Mentor: prof. dr. Miloš Pantoš

Ljubljana, 2022

I

Zahvala

Najprej bi se zahvalil mentorju diplomske naloge, prof. dr. Milošu Pantošu, ki mi je bil med pisanjem vedno na voljo s komentarji in strokovnimi nasveti.

Zahvalil bi se rad tudi vsem ostalim profesorjem in drugim pedagoškim delavcem fakultete, ki so skozi vsa leta mojega šolanja delo opravljali korektno in profesionalno.

Ne nazadnje pa se zahvaljujem svojim bližnjim, kateri so mi stali ob strani in zagotovili uspešno študijsko pot.

II

III

Povzetek

V diplomskem delu raziskujemo sprejemljivost različnih tehnologij za proizvodnjo električne energije. Tehnologije so bile definirane na podlagi osmih vrst elektrarn. Izbrane so bile naslednje: termoelektrarna na premog, termoelektrarna na zemeljski plin, jedrska elektrarna, hidroelektrarna, sončna elektrarna, vetrna elektrarna, elektrarna na biomaso in geotermalna elektrarna.

Pri ugotavljanju sprejemljivosti tehnologij smo bili pozorni na tri pojme: okolje, družba in elektroenergetski sistem (EES). Da bi ovrednotili okoljsko sprejemljivost proizvodnje električne energije (PEE), smo morali izpostaviti vplive, ki jih ima PEE na okolje. Prevladovali so negativni vplivi. Od dobro poznanega onesnaževanja zraka termoelektrarn na premog in sevanja jedrskih elektrarn pa do malo manj znanih negativnih posledic pridobivanja zemeljskega plina in okoljskih problematik proizvodnje akumulatorjev.

Pri družbeni sprejemljivosti je največ pozornosti pritegnil odnos, ki se je ustvaril med družbo in jedrskimi elektrarnami. Naravo odnosa so v veliki meri oblikovale jedrske nesreče v Černobilu, Fukušimi in drugje. V nadaljevanju pišemo tudi o obnovljivih virih električne energije in kako so bili ti zmožni pritegniti pozornost družbe.

Cilj petega poglavja je bil podati tehnično, obratovalno ozadje, katerega ne smemo spregledati ob raziskovanju najbolj primerne okoljske in družbene tehnologije za PEE. Izpostavili smo, da okoljsko in družbene sprejemljive tehnologije (z zelo malo negativnimi vplivi na okolje in družbo), kot so vetrne in sončne elektrarne, niso vedno tudi tehnično sprejemljive.

Nerazpoložljivost in nepredvidljivost PEE s strani teh tehnologij je le ena izmed težav. Poleg vloge tehnologij v EES smo pisali tudi o stroških in sistemskih storitvah elektrarn ter o sami kvaliteti PEE, ki se izraža v razpoložljivosti in predvidljivosti.

V praktičnem delu diplomske naloge je bil ustvarjen spletni vprašalnik. Namen tega je bil razširiti tematiko družbene sprejemljivosti PEE s konkretnimi podatki. Vprašalnik je bil zasnovan v obliki testa, v katerem smo preverjali poznavanje tehnologij za PEE. Vprašanja so zadevala tematike onesnaževanja, porabe premoga, varnosti jedrskih elektrarn, radioaktivnega sevanja ter obnovljivih virov električne energije. Drugi del ankete je bil namenjen zbiranju osebnih mnenj anketirancev glede tehnologij PEE. Anketiranci so se morali opredeliti glede podpore za gradnjo jedrskih elektrarn ter vetrnih in sončnih elektrarn. Izprašani so bili tudi glede varnosti jedrskih elektrarn, problematičnosti vetrnih elektrarn ter umestitve elektrarn v prostor.

Iz rezultatov vprašalnika smo potrdili začetne predpostavke ankete. Ljudje si težko predstavljajo, koliko premoga porabi termoelektrarna na premog. Jedrske nesreče so zelo močno vplivale na to, kaj si anketiranci oziroma družba misli o jedrskih elektrarnah. Zelena podoba vetrnih in sončnih elektrarn je veliko anketirancev prepričala, da bi idealna PEE vsebovala samo ti dve vrsti elektrarn. Ugotovimo, da so tehnologije PEE veliko več kot samo fizikalen sistem, temveč živijo soodvisno z okoljem, človekom in EES.

IV Ključne besede: sprejemljivost, proizvodnja električne energije, vpliv na okolje, družbena sprejemljivost, elektroenergetski sistem, spletni vprašalnik

V

Abstract

In my final thesis, we are researching acceptability of different technologies for electricity production. These technologies have been defined on the foundation of eight types of power plants. The next were chosen: coal-fired power plant, gas-fired power plant, nuclear power plant, hydroelectric power plant, solar power plant, wind power plant, biomass power plant and geothermal power plant.

When determining the acceptability of these technologies, we were attentive on these three concepts: environment, society and the power system. To evaluate environment’s acceptability of electricity production, we needed to expose the effect that electricity production has on the environment. Bad effects have prevailed. From well known air pollution of coal-fired power plants and radioactive pollution of nuclear power plants to less known negative effects of natural gas extraction and environmental issues of battery production.

In terms of social acceptability, the most interesting was the relationship that formed between society and nuclear power plants. The nature of these relationship was mostly dictated by nuclear disasters that happened in Chernobyl, Fukushima and elsewhere. We also write about renewable electricity generation and how it was able to attract societies’ attention.

The goal of the fifth chapter was to give an electrotechnical background, which we cannot overlook while researching the most appropriate technology for electricity production. We exposed that societally and environmentally acceptable technologies (with little negative effects on environment and society), such as wind and solar power plants, are not always also technically acceptable. Unavailableness and unpredictability of electricity production from these technologies is just one of these problems. In addition to the roles technologies have in the power system, we had written about the costs and systemic services of power plants and also about the quality of electricity production, which expresses itself in the availability and predictability.

The practical part of the final thesis consists of an online survey. The point of it was to extend the theme of social acceptance of electricity production with concrete data. The survey was developed in a form of a test, in which we tested acquired knowledge on electricity production technologies. The questions encompassed themes of pollution, coal consumption, security of nuclear power plants, radioactive radiation and renewable energy sources. The second part of the survey was designed to gather personal opinions of interviewees about electricity production technologies. The interviewees needed to take a side about supporting nuclear, solar and wind power plant construction. They were also asked about the safety of nuclear power plant, the issues of wind power plants and positioning power plants into the environment.

From the results of the survey, we confirmed the initial hypothesis we had. People find it hard to imagine, how much coal does a coal-fired power plant use. Nuclear disasters had a strong effect on what the interviewees or in fact the whole society thinks of nuclear power plants. The green appearance of wind and solar power plants convinced a lot of the interviewees, that the

VI ideal electricity production would consist only of these two types of power plants. We find out, that technologies of electricity production are much more than just a physical system, rather they live in symbiosis with the environment, society and the power system.

Key words: acceptability, electricity production, effect on the environment, social acceptance, power system, online survey

VII

Kazalo vsebine

1 Uvod ... 1

2 Delovanje izbranih elektrarn za proizvodnjo električne energije ... 3

2.1 Premogovna termoelektrarna ... 3

2.2 Termoelektrarna na zemeljski plin ... 4

2.3 Jedrska elektrarna ... 5

2.4 Hidroelektrarna ... 7

2.5 Sončna elektrarna ... 8

2.6 Vetrna elektrarna ... 9

2.7 Elektrarna na biomaso ... 10

2.8 Geotermalna elektrarna ... 11

3 Vpliv proizvodnje električne energije na okolje... 12

3.1 Onesnaževanje premogovnih termoelektrarn ... 12

3.2 Negativne posledice pridobivanja zemeljskega plina ... 17

3.3 Radioaktivno sevanje ... 19

3.4 Negativni vplivi hidroelektrarn ... 20

3.5 Okoljska obremenitev proizvodnje akumulatorjev za shranjevanje električne energije 21 3.6 Nevarnosti vetrnih elektrarn ... 22

4 Družbena sprejemljivost proizvodnje električne energije ... 23

4.1 Jedrske nesreče ... 23

4.2 Obnovljivi viri električne energije ... 24

5 Vloga tehnologij za proizvodnjo električne energije v elektroenergetskem sistemu ... 26

5.1 Vloga izbranih elektrarn v EES ... 26

5.2 Sistemske storitve elektrarn ... 30

5.3 Stroški elektrarn ... 35

5.4 Razpoložljivost in napovedljivost proizvodnje električne energije ... 37

VIII

6 Raziskava splošne razgledanosti in mnenj o proizvodnji električne energije ... 39

6.1 Anketa ... 39

6.2 Izgled ankete ... 41

6.3 Rezultati in ugotovitve ... 49

6.3.1 Ocena reprezentativnosti vzorca ... 49

6.3.2 Analiza odgovorov ... 52

7 Zaključek ... 65

8 Literatura ... 67

Kazalo slik

Slika 2: Shema delovanja termoelektrarne na zemeljski plin [9] ... 4

Slika 3: Shema tlačnovodnega reaktorja (PWR) [11] ... 6

Slika 4: Shema vrelnega reaktorja (BWR) [12]... 6

Slika 5: Prikaz delovanja črpalne hidroelektrarne [13] ... 7

Slika 6: Sončna elektrarna s številnimi fotonapetostnimi paneli [16] ... 8

Slika 7: Parabolični sončni kolektorji [17] ... 9

Slika 8: Karakteristika moči vetrne elektrarne [18]... 10

Slika 9: Prikaz emisij ogljikovega dioksida glede na vrsto elektrarne [24] ... 13

Slika 10: Izpust žveplovega dioksida v Sloveniji po letih [28] ... 14

Slika 11: Ilustracija zapolnjevanja premogovih rudnikov s pepelom [31] ... 17

Slika 12: Črpanje zemeljskega plina [35] ... 18

Slika 13: Ponazoritev metode hidravličnega lomljenja [37] ... 19

Slika 14: Primer ribje poti [42] ... 21

Slika 15: Stranski produkt pridobivanja redkih zemelj, katerega se spušča nazaj v okolje [45] ... 22

Slika 16: Dnevni diagram porabe (podatki za 1.7.2021) [57] ... 27

Slika 17: Dnevni diagram porabe na silvestrovo (podatki za 31.12.2020) [57] ... 28

Slika 18: Prikaz obremenilnega diagrama po razdeljenih odsekih obratovanja [58] ... 29

Slika 19: Čas razvitja rezervne moči za potrebe primarne regulacije [72] ... 32

IX

Slika 20: odziv turbinskega regulatorja na spremembo frekvence [72] ... 33

Slika 21: Potek regulacije frekvence [76]... 34

Slika 22: Cena električne energije [84] ... 37

Slika 23: Spol anketirancev ... 49

Slika 24: Starost anketirancev ... 49

Slika 25: Regija prebivanja anketirancev ... 50

Slika 26: Izobrazba anketirancev ... 51

Slika 27: Odgovori glede količine porabljenega premoga ... 52

Slika 28: Odgovori glede najpogosteje uporabljenega energenta ... 53

Slika 29: Odgovori glede obnovljivih virov električne energije ... 53

Slika 30: Odgovori glede najbolj primerne elektrarne ... 54

Slika 31: Odgovori glede umeščanja elektrarn v prostor ... 55

Slika 32: Odgovori glede največje proizvajalke emisij ... 56

Slika 33: Odgovori glede kislega dežja ... 57

Slika 34: Odgovori glede zalog zemeljskega plina ... 57

Slika 35: Odgovori glede zalog premoga ... 58

Slika 36: Odgovori glede varnosti jedrskih elektrarn ... 59

Slika 37: Odgovori glede gradnje jedrskih elektrarn ... 59

Slika 38: Odgovori glede vpliva na mnenje o jedrskih elektrarnah ... 60

Slika 39: Odgovori glede radioaktivnega sevanja ... 61

Slika 40: Odgovori glede cene proizvodnje električne energije ... 61

Slika 41: Odgovori glede podpore vetrnih elektrarn ... 62

Slika 42: Odgovori glede problematičnosti vetrnih elektrarn ... 62

Slika 43: Odgovori glede oskrbe s sončnimi in vetrnimi elektrarnami ... 63

Kazalo tabel

X

Seznam uporabljenih kratic

V diplomskem delu so bile uporabljene naslednje kratice:

Tabela 1: Uporabljene kratice

KRATICA POMEN

EES elektroenergetski sistem

EE električna energija

PEE proizvodnja električne energije

TE termoelektrarna

PE plinska elektrarna

HE hidroelektrarna

JE jedrska elektrarna

SE sončna elektrarna

VE vetrna elektrarna

NEK Nuklearna elektrarna Krško

EEO elektroenergetsko omrežje

OVE obnovljivi viri energije

1

1 Uvod

Evropska unija je decembra 2019 sprejela tako imenovani Zeleni dogovor [1], kateri zavezuje celoten kontinent Evrope, da do leta 2050 postane prva podnebno nevtralna celina na svetu.

Kljub temu, da smo se v Evropi že znebili dobre tretjine izpustov ogljikovega dioksida v zadnjih desetih letih, nam vizija brezogljične proizvodnje električne energije ali, kot ji pravijo Nemci

»Energiewende« (energetski preobrat), predstavlja zelo velik izziv [1].

Tako se je Evropa, kot tudi vse ostale celine, znašla pred novo dobo proizvodnje električne energije (PEE). Možnih scenarijev je več, katerega bomo izbrali, pa je tudi v naših rokah, v rokah celotne družbe. Namreč model PEE mora ugajati vsem, tako družbi kot tudi okolju in še najbolj pomembno – samemu EES.

Inženirji ne morejo v prostor umestiti samo tiste elektrarne, za katere mislijo, da so najboljše.

Upoštevati morajo tudi že obstoječe. Zato bo prehod v bolj okoljsko in družbeno prijazno ter elektrotehnično kompatibilno PEE počasen in ne hiter, [1]. Na področju PEE se tako pojavljajo težave, ki znajo pot do brezogljične proizvodnje zelo otežiti in upočasniti. Izpostavimo lahko nekaj večjih težav.

1. S povečano gradnjo novih vetrnih (VE) in sončnih elektrarn (SE) ter s subvencioniranimi cenami električne energije se EES čedalje bolj zanaša na PEE s tema dvema vrstama elektrarn..

Energent sonca in vetra ni vedno na voljo, kar pomeni, da PEE s strani SE in VE ni konstantna.

Zaradi tega morajo moč iz SE in VE v trenutku pomankanja sonca in vetra nadomestiti konvencionalne elektrarne [1]. Reševanje teh težav nas postavi še v večje dileme, o katerih govorimo v petem poglavju.

2. Premog, na katerega se PEE še vedno zanaša, hiti k koncu njegove dobe. Zaloge premoga so po svetu še vedno zadostne, saj zadostujejo za naslednjih 100 let [2]. Večja težava je onesnaževanje te tehnologije. Prevelike emisije ogljikovega dioksida, žveplovega dioksida, dušikovih oksidov ter delcev trdnih snovi (PM2.5 in PM10) so države primorale k uveljavitvi CO2 kuponov. Število kuponov, ki so z začetkom leta s strani države pripisani elektrarnam, se zaradi velikih izpustov emisij s strani termoelektrarn na premog kmalu porabijo. To pomeni, da je termoelektrarna presegla letno vrednost izpustov emisij v okolje. Edina možnost, da termoelektrarna ostane v obratovanju je ta, da kupone dokupi, kar drastično podraži njeno proizvodnjo in jo naredi neprofitno [3].

3. Poleg premoga, ki primorano končuje vlogo energenta v termoelektrarnah, pa se številnim termoelektrarnam, kot tudi jedrskim elektrarnam, bliža konec dobe obratovanja. Ob zaprtju oziroma obnovi teh objektov bo potrebno veliko premisleka – kaj je vredno obdržati in nadgraditi ter kaj dokončno zapreti in usmeriti razvoj v druge načine proizvodnje [1].

V diplomski nalogi se na začetku posvetimo opisovanju trenutnih razmer pri PEE. V prvi fazi opišemo delovanje osmih vrst elektrarn, katere se najpogosteje uporabljajo. Nadaljujemo z opisom, kako različne tehnologije za proizvodnjo električne energije vplivajo na okolje. Ker so strokovna mnenja o tej tematiki zelo različna, se cilj naloge ni opredeljevati, ampak predstaviti

2

dejanske razmere in mnenje, ki prevladuje v družbi. V tretji fazi opišemo družbeno sprejemljivost PEE. Ob pogledu na pretekle dogodke in kako so ti vplivali na mišljenje družbe, ugotovimo marsikaj zanimivega. Tematika je pomembna, saj je od mišljenja družbe odvisna sama prihodnost PEE.

V drugem delu diplomske naloge je glavni cilj raziskati osveščenost oziroma informiranost družbe in pridobiti mnenja na temo proizvodnje električne energije. Raziskavo opravimo s spletnim vprašalnikom, katerega smo poslali prebivalcem Republike Slovenije. 119 uspešno zaključenih anket nam je pomagalo razširiti poglavje družbene sprejemljivosti in izluščiti konkretne podatke o informiranosti družbe na temo proizvodnje električne energije.

3

2 Delovanje izbranih elektrarn za proizvodnjo električne energije

2.1 Premogovna termoelektrarna

Premogovna termoelektrarna se za pridobivanje električne energije zanaša na sežig premoga oziroma premogovega prahu. Pri sežigu se ustvari velika količina toplote, katera ima zmožnost upariti napajalno vodo, ki teče skozi kotel. Novonastala para je pod zelo velikim pritiskom, kar pomeni, da v sebi zadržuje tlačno in kinetično energijo. Ko para doseže turbino, ta ekspandira in odda svojo energijo turbini. Turbina to energijo pretvori v mehansko in jo prek gredi prenese na električni generator. Tukaj se mehanska energija pretvori v električno [4].

Para svoje poti ne konča v turbini, ampak potuje naprej v kondenzator, kjer kondenzira – spremeni svoje agregatno stanje v tekoče. V kondenzatorju se tako zgodi zadnja stopnja tako imenovanega parnega cikla. Cikel se nato spet ponovi: napajalna voda gre v kotel, se upari, para potuje proti turbini itd. [4].

Celotna shema delovanja premogovne termoelektrarne prikazuje slika 1.

Slika 1: Shema premogovne termoelektrarne [5]

Cilj elektrarne je, da se v kotlu s sežigom premoga čim bolj približa popolnemu zgorevanju. To dosežemo z mletjem premoga v premogov prah. Ta se skupaj s kisikom vpihuje v kotel, kjer homogeno kroži po celotnemu volumnu in zgoreva. Proces imenujemo zgorevanje premoga v fluidni plasti. Tak način zahteva manjše temperature v kurišču, še posebej pa je pomembno, da lahko moč zgorevanja bolj natančno kontroliramo s postopnim vpihovanjem premogovega prahu [6].

4

2.2 Termoelektrarna na zemeljski plin

Pri tej vrsti elektrarne se za gorivo uporablja zemeljski plin. Večina TE na zemeljski plin uporabljajo plinsko turbino, čez katero se ekspandirajo vroči dimni plini. Ti plini izvirajo iz mesta zgorevanja, do katerega je doveden zemeljski plin ter zrak. Vroče dimne pline, ki vrtijo plinsko turbino in označujejo plinski cikel, lahko nadaljnje uporabimo v novem ciklu, kateri je v veliki meri enak kot tisti v TE na premog. Z dodatnim ciklom, katerega smo poimenovali parni cikel, izkoristimo toploto dimnih plinov, kateri segrejejo napajalno vodo in jo uparijo.

Para nato poganja parno turbino [7]. Celotna shema delovanja plinske elektrarne s plinsko in parno turbino prikazuje slika 2.

Slika 2: Shema delovanja termoelektrarne na zemeljski plin [9]

Plinske elektrarne (PE) se tako delijo na dve vrsti. Ena vrsta elektrarne uporablja samo plinsko turbino, druga vrsta pa uporablja tako plinsko kot tudi parno turbino. Slednja v svoj proces proizvodnje električne energije vključuje oba izmed ciklov – tako plinskega kot parnega [7].

Termoelektrarna na zemeljski plin z enim ciklom oziroma krožnim procesom je dosti bolj enostavna, vendar ima posledično manjši izkoristek kot tista z dvema krožnima procesoma.

Slednja namreč uporabi vroče dimne pline za uparjanje napajalne vode ter s tem dvigne izkoristek na 60 %. Edina negativna lastnost je dražja začetna investicija [7].

Pri PE so pomembne tako imenovane »faze zagona«. Namreč PE ne moremo zagnati brez pomoči elektroenergetskega omrežja. Preden začne elektrarna proizvajati električno energijo, jo mora nekaj odvzeti oziroma porabiti iz omrežja. Prek omrežja se napaja generator, ki začne vrteti plinsko turbino do zagonskih vrtljajev (pribl. 900 vrt/min). Iz omrežja se mora istočasno napajati tudi kompresor, ki stisne zrak in ga dovaja na mesto zgorevanja. Ko PE na turbini doseže minimalno dovoljeno hitrost, se lahko začne zgorevanje zemeljskega plina. Ko turbina prek zgorevanja doseže svojo nazivno hitrost, se smer pretoka električne energije obrne. Sedaj PE moč injicira v omrežje in je več ne porablja [4].

5

2.3 Jedrska elektrarna

Jedrska elektrarna uporablja cepitev jedrskega goriva, izmed katerega je najbolj poznan izotop urana U-235. Tudi ta elektrarna uporablja parni cikel, prav zaradi te lastnosti jo uvrščamo med termoelektrarne [8].

V reaktorju elektrarne se ob cepitvi jedrskega goriva proizvajajo velike količine toplote. Ta segreva mimoidočo napajalno vodo sistema, ki se zaradi dovedene energije v uparjalniku spremeni v paro. Ta pod velikim pritiskom potuje do parne turbine, kjer ekspandira in odda svojo energijo. Prek turbine se vrti tudi električni generator, kateri proizvaja EE in jo pošilja v elektroenergetsko omrežje [6].

Tako kot je pri termoelektrarni najpomembnejši element kotel, je pri jedrski elektrarni najbolj pomemben jedrski reaktor. Poznamo več vrst reaktorjev [4]:

-tlačnovodni reaktor (angl. Pressurized Water Reactor - PWR), -vrelni reaktor (angl. Boiling Water Reactor - BWR),

-tlačnovodni težkovodni reaktor, -oplodni reaktor,

-grafitni vodno hlajen reaktor.

Med vsemi prevladujeta dve vrsti reaktorja. To sta tlačnovodni (PWR) in vrelni (BWR). Med njima je številčno bolj uporabljen PWR, katerega uporablja tudi Nuklearna elektrarna Krško [4].

V primeru tlačnovodnega reaktorja se uporabljata tako primarni kot sekundarni krog. V primarnem krogu voda kroži od reaktorja, kjer se segreje, do uparjalnika, ki služi kot izmenjevalnik toplote in uparja napajalna vodo v sekundarnem krogu. Ko se napajalna voda v sekundarnem krogu upari, nadaljuje svojo pot po ceveh do turbine, kjer ekspandira. Od tam para, kateri je bila odvzeta energija, potuje do kondenzatorja, kjer se pretvori nazaj v tekoče agregatno stanje. Sekundarni krog se zaključi, ko ohlajena napajalna voda znova doseže uparjalnik. Najbolj pomembna lastnost tlačnovodnega reaktorja je, da se voda, ki jo segreva reaktor, nikoli ne pomeša z vodo, ki teče v sekundarnem krogu. Prenese se samo toplota, radioaktivne snovi pa ostanejo v primarnem krogu [10]. Shematski prikaz delovanja PWR reaktorja prikazuje slika 3.

6

Slika 3: Shema tlačnovodnega reaktorja (PWR) [11]

Kot prikazuje slika 4 je drugemu tipu reaktorja (BWR) sekundarni krog odvzet in v reaktorju se segreva kar napajalna voda, katera teče tudi skozi turbino in kondenzator.

Slika 4: Shema vrelnega reaktorja (BWR) [12]

Dva izmed najpomembnejših sistemov pri jedrski elektrarni sta varnostni in varovalni sistem.

Varovalni sistem (angleško protection system) je tisti, ki konstantno meri in ugotavlja prek izbranih parametrov (tlak, frekvenca, temperatura,...) ustreznost delovanja jedrske elektrarne.

Če se ti zaznani parametri ne skladajo z definiranim, pravilnim delovanjem elektrarne, potem se vklopi varnostni sistem (angl. safety system). Ta sistem nemudoma izvede določene ukrepe, katerih namen je preprečiti abnormalno delovanje in vzpostaviti normalno obratovanje.

Naštejemo lahko nekaj najpomembnejših varnostnih sistemov [6].

7

• Sistem za zasilno hlajenje sredice: namenjen za primarni krog; vsebuje dva rezervoarja napolnjena z borirano vodo; ob nezgodi borirana voda zaustavlja jedrske reakcije v reaktorju z absorbiranjem nevtronov.

• Sistem pomožne napajalne vode: namenjen za sekundarni krog; se vklopi, ko preneha delovati sistem glavne napajalne vode, katera odvaja toploto iz primarnega kroga prek uparjalnika.

• Sistem dizelskih generatorjev: obratuje v primeru izpada lastnega električnega napajanja elektrarne; služi kot nadomesten, neodvisen vir električne energije.

• Sistem za prhanje zadrževalnega hrama: namen je znižati previsok tlak v okolici reaktorja oziroma v notranjosti zadrževalnega hrama; sistem vsebuje prhe, ki začnejo škropiti hladno vodo, kar posledično zniža tlak.

• Sistem za osamitev zadrževalnega hrama: sistem sodeluje z vsemi ventili in prehodi med zunanjostjo in notranjostjo zadrževalnega hrama; ob primeru nezgode se hram popolnoma zapre, odprte ostanejo le povezave, ki so potrebne za preprečevanje hudih posledic.

2.4 Hidroelektrarna

Hidroelektrarna je objekt, v katerem se za pridobivanje električne energije izkorišča padajočo oziroma tekočo vodo reke. Pritekajoča voda se usmeri v serijo vzporednih turbin, katere pretvorijo potencialno in kinetično energijo vode v rotiranje turbine in z njo povezanega električnega generatorja.

V grobem poznamo tri vrste hidroelektrarn. Pretočnih HE je največ. Moč na pragu elektrarne je v veliki meri odvisna od trenutnega pretoka reke. Akumulacijske HE so tiste, ki vodo akumulirajo za določen čas in jo na turbine spuščajo konstantno oziroma takrat, ko je to najbolj ekonomično. Pod to vrsto spada Črpalna hidroelektrarna Avče, ki ponoči (ko je električna energija ugodnejša) črpa vodo v višje ležeče umetno jezero, nazaj na turbine pa jo spušča podnevi (ko je električna energija dražja) [4]. Shematski prikaz delovanja črpalne hidroelektrarne prikazuje slika 5.

Slika 5: Prikaz delovanja črpalne hidroelektrarne [13]

8

Zadnjo vrsto hidroelektrarn zastopajo pretočno-akumulacijske HE, katere vsebujejo tako lastnosti akumulacijskih kot pretočnih hidroelektrarn.

Najbolj pomembna komponenta, ki sestavlja hidroelektrarno, je sama turbina. Ker so hidroelektrarne postavljene na različnih vodotokih, poznamo več vrst turbin. Tehnologije turbin so odvisne od dveh podatkov: višina padca reke in pretok reke. Kjer ima reka velik padec, a majhen pretok, tam se uporablja Peltonova turbina. To je počasi vrteča se turbina, znana po tem, da ima zelo velik izkoristek. Naslednja je Kaplanova turbina, katera je izdelana za ravno obratne parametre vodotoka in sicer za majhne padce ter velike pretoke. Zadnja turbina pa se imenuje Francisova turbina. Ta je namenjena srednjim padcem in srednjim pretokom rek. Z vsemi tremi turbinami pokrijemo celoten spekter vodotokov in s tem omogočimo elektrarnam čim bolj ustrezno izbiro turbin za določen vodotok [14].

Hidroelektrarne k svetovni proizvodnji električne energije prispevajo kar 16 % vse EE [14].

Izmed držav so največje proizvajalke hidro energije Kitajska, Kanada in Brazilija [14].

2.5 Sončna elektrarna

Sončna elektrarna za PEE izkorišča sončno sevanje. Sposobnost proizvajanja električne energije s pomočjo sonca je izvedena prek več različnih metod. Za proizvajanje večjih količin EE sta poglavitni dve metodi.

a) Zajemanje EE prek sončnih celic

Sončne oziroma fotovoltaične celice so narejene iz polprevodniških elementov. Ko fotoni zadenejo polprevodniški element, ki se nahaja v celici, nastane presežek elektrine in teči začne majhen električni tok. Tukaj ne potrebujemo vmesnega tujega medija, saj je pretvorba energije sonca v električno energijo direktna. Sončne celice so razporejene v sončni panel, paneli pa so na veliki površini povezani med seboj v sončno elektrarno. Primer postavitve prikazuje slika 6.

Šele ob velikih številih panelov lahko pridobimo zadovoljive količine električne energije [15].

Slika 6: Sončna elektrarna s številnimi fotonapetostnimi paneli [16]

9 b) Zajemanje energije prek sončnih kolektorjev

V primeru pridobivanja EE prek sončnih kolektorjev je postopek drugačen. Tukaj pretvorba iz sončnega sevanja v EE ni direktna, zato potrebujemo medij v stanju kapljevine. Tako se sevanje sonca uporabi za segrevanje tega medija (npr. voda). Za čim večji izkoristek sončnega sevanja se uporabijo zrcala, katera sončno svetlobo usmerijo v cev, v kateri se nahaja medij. Zaradi velike koncentracije energije na enem mestu se medij zelo segreje. Ta se upari in para je zmožna poganjati turbino, katera prek gredi vrti rotor električnega generatorja, na kateremu se na statorju inducira el. napetost in posledično se EE začne pretakati v EEO.

Tehnologija elektrarne s sončnimi kolektorji je zelo podobna tehnologiji, ki se uporablja v termoelektrarnah. Razlika je le v tem, da TE za uparjanje medija uporabljajo fosilna ali jedrska goriva, elektrarne s sončnimi kolektorji pa uporabljajo sončno sevanje [15]. Zaradi podobnosti se takšnim sončnim elektrarnam pripisuje ime sončne termoelektrarne. Pri teh pa je najbolj uspešna elektrarna s paraboličnimi sončnimi kolektorji, katero prikazuje slika 7.

Slika 7: Parabolični sončni kolektorji [17]

2.6 Vetrna elektrarna

Energijo vetra je moč pretvoriti v EE. Za ta namen se po svetu z vse večjo hitrostjo pojavljajo vetrne elektrarne. Te sestavljajo skupki vetrnic. Moderne vetrnice so lahko različnih velikosti, fundamentalne osnove pa so pri vseh enake. Vsaka vetrnica ima elise, katere so pritrjene na rotor in so vrtljive. Elise so prek pogonske gredi povezane z menjalnikom v notranjosti vetrnice.

Ker se vetrnica za električni generator vrti prepočasi, se na menjalniku vrtilna hitrost poveča.

Da bi celoten sistem uspešno deloval, sta na vetrnici nameščena merilnika smeri ter hitrosti vetra, (anemometer). Če hitrost vetra preseže maksimalno dovoljeno vrednost, se na gredi sproži mehanska zavora, katera blokira gred in vrtenje vetrnice [18].

10

Veter, ki je posledica neenakomernega segrevanja zemeljske površine, nosi s seboj veliko kinetične energije. Količina EE, ki jo lahko VE pridobijo, je odvisna od treh dejavnikov: hitrost vetra, gostota zraka in površina vetrnice oziroma dolžina elis [18].

Ključno oceno delovanja VE prikaže tako imenovana karakteristika moči vetrne elektrarne. Iz karakteristike na sliki 8 je razvidno, da vetrnica pri večji hitrosti vetra deluje z večjo močjo in posledično proizvede več EE. Vendar se moč ne more povečevati v nedogled, kajti vetrnica se mora pri preveliki hitrosti vetra zaradi varnosti zaustaviti. Tudi premajhna hitrost sili vetrnico k ustavitvi. Iz grafa lahko tako razberemo, da obravnavana vetrnica deluje v razponu hitrosti vetra od 13 km/h do 100 km/h.

Krivulja, ki opisuje naraščanje moči od zagona do maksimalnega obratovanja vetrnice, sledi krivulji s tretjo potenco. To pomeni, da če se hitrost vetra zviša za dvakratnik, se bo moč vetrnice povečala za osemkratnik. Potek opisuje graf na sliki 8.

Slika 8: Karakteristika moči vetrne elektrarne [18]

2.7 Elektrarna na biomaso

Način proizvodnje električne energije pri elektrarni na biomaso je enak vsem termoelektrarnam.

Namreč s sežigom biomase (les, trsje, slama, oljna ogrščica, sladkorni trs, koruza, organski odpadki,...) se sprošča toplota, ta pa vodo spremeni v paro, katera je zmožna poganjati turbino in s tem omogoča proizvodnjo električne energije. Poleg zgoraj naštetih trdnih snovi biomase pa lahko uporabljamo tudi plinasto (bioplin) ali tekočo (biodizel) biomaso.

Elektrarn, ki bi iz biomase proizvajale samo električno energijo, je zelo malo. Ker je ob uporabi biomase vedno prisotna sproščena toplota, elektrarne poleg električne energije proizvajajo tudi toploto, ki služi za ogrevanje domov ipd. Takšnemu načinu proizvodnje pravimo kogeneracija.

11

2.8 Geotermalna elektrarna

Za svoje potrebe je človek geotermalno energijo uporabljal že približno 200 let pred našim štetjem. Najbolj znani uporabniki geotermalne energije so bili Grki in Rimljani. Danes pa se geotermalna energija uporablja predvsem za ogrevanje domov ter proizvodnjo električne energije [19].

Sredica, oziroma jedro Zemlje, s pomočjo jedrskega razpada kalija, torija in urana konstantno proizvaja energijo v obliki toplote. Ta se širi navzven in pride tudi do zemeljske skorje, katero sestavlja plast kamnin debelin od 7 pod oceani, pa tja do 65 km pod celinami [19].

Države, ki imajo bogat vir geotermalne energije in je ta na dosegu roke, so: Italija, Grčija, Turčija in Islandija. Tudi v Sloveniji je nekaj lokacij z geotermalna energijo. Območja, kjer je ta prisotna, zaznamujejo številna slovenska zdravilišča. Najbolj impresiven pa je tako poimenovan Panonski bazen, kjer temperatura geotermalne vode sega do 70 stopinj Celzija [19].

Pridobivanje manjših količin geotermalne energije se uporablja predvsem za ogrevanje hiš.

Tukaj z uporabo navpičnega ali vodoravnega izmenjevalnika toplote, kateri se nahaja v prvih treh metrih zemeljske skorje, segrevamo vodo v ceveh pod zemljo in jo vodimo v hišo.

Uporabimo pa lahko tudi »geosondo«, katera sega do 140 metrov v zemljo. Z njo je kompatibilna toplotna črpalka. Tako lahko zelo učinkovito in zanesljivo ogrevamo svoj dom za približno petkrat manj porabljene električne energije kot z navadnimi električnim gretjem [20].

Za proizvodnjo večjih količin električne energije so zaželjena mesta, kjer geotermalni vir presega 150 stopinj Celzija. Tukaj lahko geotermalni vodi znižamo tlak in nastala bo para. To paro vodimo na parno turbino. Ta z vrtenjem prek gredi dostavlja mehansko energijo generatorju, kjer se pridobiva električna energija [19].

Če geotermalni vir ne ponuja visokotemperaturne visokotlačne pare, moramo uporabiti tako imenovan organski proces. To je proces, pri katerem namesto uparjanja vode uporabimo snov, ki se uparja že pri nižjih temperaturah. To sta po navadi silikonsko olje ali amonijak [19].

12

3 Vpliv proizvodnje električne energije na okolje

3.1 Onesnaževanje premogovnih termoelektrarn

Največ onesnaženega zraka povzroči sežig fosilnih goriv. Premog, kot tudi ostala fosilna goriva, so v njihovi zasnovi ogljikovodiki. Poleg ogljika in vodika jih sestavlja še žveplo, dušik in nekaj mineralnih snovi. Ko začnejo fosilna goriva zgorevati, se njihova struktura spremeni.

Ob prisotnosti kisika in visoke temperature fosilno gorivo oksidira in produkt so nove kemične spojine. Ob tej kemični reakciji se sprošča veliko toplote, kar termoelektrarna izkorišča za pridobivanje EE [21].

Popolno zgorevanje fosilnih goriv zaznamuje pretvorba ogljika v ogljikov dioksid (CO2), vodika v vodo (H2O) ter žvepla v žveplov dioksid (SO2). Vendar so v gorivu tudi drugi elementi (dušik in mineralne snovi), ki ovirajo popolno zgorevanje in omogočajo nastanek neželenih kemičnih spojin, katere so nevarne za človeka in okolje. Pri nepopolnem zgorevanju nastaja ogljikov monoksid (CO), žveplov dioksid (SO2) ter ostale različice oksidov, dušikovi oksidi (NOX), saje, nezgoreli ogljikovodiki in ostanki mineralnih snovi, kar z eno besedo imenujemo

»pepel«. Ti produkti nepopolnega zgorevanja lahko iz termoelektrarne izhajajo v plinastem ali trdnem stanju [21].

S pojmom emisija opišemo izločanje škodljivih snovi v okolje. Te se lahko izločijo z dimom ali odpadnimi vodami [21]. Spodaj so zapisane emisije, katere se pri delovanju premogovnih termoelektrarn izločajo v okolje:

a) Ogljikov dioksid – CO2

Izmed vseh fosilnih goriv je premog tisti, ki v ozračje med zgorevanjem spusti največ ogljikovega dioksida. Poznamo tehnologije, ki ujamejo določen odstotek ogljikovega dioksida, vendar tega je potrebno nekam spraviti. Naprave so drage in težko dostopne, zato se jih termoelektrarne ne poslužujejo. Tudi če bi imeli napravo za zajemanje ogljikovega dioksida, bi z namestitvijo zmanjšali izkoristek za 25 % [22], zato je edini efektiven način zmanjševanja izpustov CO2, da zagotovimo čim boljši izkoristek procesa sežiganja fosilnih goriv. To pomeni, da bomo za enako količino proizvedene električne energije proizvedli manj izpustov CO2. Eden izmed negativnih posledic prevelike koncentracije CO2 v ozračju je efekt tople grede [98].

Ta pojav ustvarjajo tako imenovani toplogredni plini, kamor spada tudi ogljikov dioksid. Ti plini delujejo kot steklo – prepuščajo kratkovalovno sevanje (svetlobo), ki jo proti nam pošilja sonce, zadržujejo oziroma odbijajo pa dolgovalovno sevanje (toploto), katera se od zemljine površine odbija nazaj proti vesolju. Toplogredni plini zadržujejo toploto, katera se kopiči in segreva ozračje našega planeta. Učinek tople grede je v osnovi koristen pojav, vendar problem nastane, ko je toplogrednih plinov v ozračju preveč in se ozračje prekomerno segreva. V zadnjih desetletjih se je problem spremenil v pojem globalnega segrevanja, posledice pa so vidne povsod po svetu: topljenje arktičnega ledu, vedno močnejši orkani in nevihte, suša, ekstremne poletne temperature, dvigovanje morske gladine itd. [23].

13

Slika 9 prikazuje, koliko ton ogljikovega dioksida izpusti izbrana vrsta elektrarne v ozračje na 1 GWh proizvedene električne energije [24]. Vidimo, da je termoelektrarna na premog na vrhu, z nekaj več kot 1000 tonami. Sledijo ji elektrarne z relativno malo emisijami CO2: sončna elektrarna, vetrna elektrarna, hidroelektrarna ter jedrska elektrarna. Presenetljivo je, da ima sončna elektrarna pripisan tolikšen izpust CO2, čeprav ob svojem delovanju pravzaprav ne proizvaja emisij. Razlog temu je, da je bil k sončni elektrarni prištet izpust CO2, kateri nastane ob sami proizvodnji sončnih panelov. Količina izpusta je bila nato izračunana na podlagi življenjske dobe panela in predvidene proizvedene električne energije v tej dobi.

Slika 9: Prikaz emisij ogljikovega dioksida glede na vrsto elektrarne [24]

b) Žveplov dioksid – SO2

Fosilna goriva vsebujejo tudi žveplo. Pri sežigu teh se tvori žveplov dioksid S02. Ta plin je nevaren, ostrega vonja in brezbarven. V ozračju se zadržuje po več dni, veter pa ga lahko ponese na tisoče kilometrov od mesta izvora. Ob pravih razmerah se SO2 najprej spremeni v SO3, nadaljnje pa se tvori H2SO4, kateri pravimo žveplova kislina. Kislina ob padavinah začne padati proti površju Zemlje, kar v literaturi imenujemo »kisel dež«. Takšne padavine hudo degradirajo zemeljsko floro, še posebej pa so odgovorne za propad gozdov, zakisanje tal ter voda. Njegov vpliv je viden tudi na živih organizmih ter na gradbenih materialih in stavbah, saj velja za zelo korozivnega [21].

Zmanjševanje emisij SO2 je lažje izvesti kot za CO2. Uporabimo lahko tako imenovane razžvepljevalne naprave, katere ustvarjajo kemične reakcije, ki se sprožijo ob kombinaciji žveplovega dioksida ter še enega dodatnega elementa. Končni produkt reakcije je nekaj, kar lahko koristno uporabimo v drug namen [27].

14

Najbolj uporabljena tehnologija, na kateri deluje večina razžvepljevalnih naprav, uporablja kombiniranje žveplovega dioksida, vode in apnenca. Prek kemičnih reakcij se ustvari mavec (gips) s kemično formulo CaSO4. Mavec lahko nato uporabimo v korist gradbeni industriji [27].

Takšne naprave za čiščenje žveplovega dioksida iz dimnih plinov so že dodobra razvite in številne termoelektrarne jih uporabljajo. Kot prikazuje slika 11, so se v Sloveniji do leta 2007 emisije SO2 drastično zmanjšale, celo pod zadani cilj izpustov za leto 2010. Razlog temu so ravno razžvepljevalne naprave na termoelektrarnah. Ostale dejavnosti malo vplivajo na izpuste žveplovega dioksida, zato lahko rečemo, da se je v Sloveniji problematika izpustov žveplovega dioksida zelo izboljšala prav zaradi nastopa razžvepljevalnih naprav. Posledično se je zmanjšal tudi pojav kislega dežja [27].

Slika 10: Izpust žveplovega dioksida v Sloveniji po letih [28]

Po svetu je viden trend, da bolj razvite države bolj učinkovito zmanjšujejo izpuste SO2. To velja za Evropo in Ameriko, katere svoje izpuste zmanjšujejo že več kot dvajset let. Drugače pa je v Aziji in Afriki. Države teh dveh kontinentov s svojim hitrim razvojem družbe gradijo čedalje več termoelektrarn, kar posledično doprinese do večjih izpustov SO2. V takih državah regulacije glede izpustov niso stroga, saj je glavni cilj proizvesti zadostno količino električne energije.

Tako ugotovimo, da je veliko izpustov, vključno z emisijami SO2, sorazmeren z razvitostjo držav [29].

c) Dušikovi oksidi – NOX

15

Ker dušikovi oksidi zavzamejo veliko možnih oblik, ki so odvisne od števila prisotnih kisikovih atomov, jih poimenujemo s skupno kratico NOX. Dušik je še en element, ki se nahaja v fosilnih goriv. Ta med gorenjem oksidira in je posledično odgovoren za nastajanje delcev, ki so škodljivi za okolje in ljudi [21]. Ko govorimo o emisijah TE se posvečamo dvema dušikovima oksidoma:

dušikov oksid NO in dušikov dioksid NO2. NO ima možnost dalje oksidirati v NO2. Ta se dviguje v ozračje, tam pa na njega s svojim sevanjem učinkuje sonce. Zgodi se kemijska reakcija, kjer se z dodatkom kisika NO2 spremeni v O3. Novonastali ozon se tvori tudi naravno, in sicer se to dogaja v stratosferi (Zemljino ozračje na višini od 15 do 50 km). Ta nas ščiti pred močnim UV sevanjem sonca. Tisti ozon, ki je posledica izpustov iz človeških dejavnosti, se zadržuje v troposferi (Zemljino ozračje v višini od 0 do 15 km), kar ni naravno in v atmosferi ustvarja neravnovesje. Poleg ozona poznamo še dušikove okside, kateri lahko zaidejo v stratosfero, kjer pod določenimi pogoji degradirajo ozonsko ovojnico in ustvarjajo tako imenovano »ozonsko luknjo« [21].

V splošnem so emisije NOx škodljive tako naravi kot ljudem. Pri vdihavanju so pogosti znaki kašelj, glavobol ter draženje sluznice. Visoke koncentracije zabeležimo ob zimskih mesecih, ko je prisotno zelo malo vetra in svetlobe.

Iz statističnega urada Slovenije je razvidno, da so se skozi leta začele emisije NOx

zmanjševati [99]. V letu 2018 smo jih pridelali 38600 ton, kar je bilo za dva procenta manj kot v letu 2017. Vemo, da termoelektrarne niso glavni vzrok za velike izpuste NOx, veliko več jih lahko pripišemo prometu. Motorji z notranjim izgorevanjem imajo čedalje boljše izgorevanje in manj izpustov, vendar njihova številčnost narašča, zato se večja ekonomičnost ne pozna.

Zaradi tega vidimo le rahel upad teh izpustov vsako leto.

V termoelektrarnah je za izpuste dušikovih oksidov poskrbljeno z denitrifikacijsko napravo. Ta odstrani več kot 90 % NOx iz dimnih plinov. Uporablja se katalizator, kjer se na njegovo površino vpihava amonijak, amonija ali ureja. Ta reagira z dušikovimi oksidi, končni produkt pa sestavlja voda in dušik [30].

d) Delci trdnih snovi v zraku

Aerosoli, prah, saje ali leteči pepel so vsa imena za delce trdnih snovi, ki se v zraku pojavijo zaradi sežiga fosilih goriv. Ti predvsem negativno vplivajo na zdravje ljudi in živali [21]. Ker so delci različnih velikosti in je njihov vpliv na zdravje pogojen ravno z velikostjo, moramo najprej povzeti kategorizacijo trdnih delcev v zraku.

Delcem katerim rečemo aerosoli, so večji od samih molekul snovi vendar manjši od premera 500 µm. Najbolj nevarni za dihalne organe so delci velikosti 10 µm in manj [21]. Medtem, ko se večji delci pri vstopu ustavijo že v zgornjem delu dihal, se manjši delci ne ustavijo in potujejo do pljuč, kjer se nalagajo na pljučne mešičke. Delce, ki so nevarni za naše zdravje, razporejamo v dve kategoriji in sicer so to delci PM10 in PM2.5. Delci PM2.5 imajo premer enak ali manjši od 2,5 µm, medtem ko se delcem PM10 pripisuje premer 10 µm ali manj. V zraku se poleg trdnih

16

delcev lahko pojavijo tudi drobne kapljice. Te največkrat tvorita žveplov ali dušikov oksid (katera dva smo že opisali) ter voda [21].

Z vdihavanjem trdnih delcev v zraku so najbolj ogroženi ljudje z astmo [21]. Prevelika izpostavljenost lahko povzroči zgodnje smrti, še posebej na ljudeh, ki imajo predhodne bolezni dihal ali srca [21]. Pomembno je opomniti, da ti delci ne ogrožajo samo pljuč, ampak tudi žilni sistem, saj so delci PM2.5 zmožni preiti v krvni obtok [21]. Saje negativno vplivajo tudi na naravo. Veter jih ponese v oddaljene kraje, kjer lahko s svojo kemijsko konstitucijo degradirajo strukturo tal, rek in ostalih naravnih habitatov [31].

Odstranjevanje trdnih delcev iz dimnih plinov je mogoče izvesti z določenimi filtri. Pri odstranjevanju večjih delcev si lahko pomagamo s ciklonom. To je naprava, ki v cilindrični posodi vrtinči dimni plin. Ker imajo trdni delci večjo maso kot plin, jih bo centrifugalna sila potiskala na zunanji del cilindrične cevi. Tam se delci ujamemo, ostalim plinom v sredini cevi pa je omogočen prehod naprej. S ciklonom lahko odstranimo do 90 % trdnih delcev, kateri niso manjši od 5 µm. Za odstranjevanje delcev z manjšimi premeri je ciklon neuporaben, saj vpliv centrifugalne sile postane premalo izrazit [21].

Manjše delce v dimnih plinih odstranimo z vrečastim ali elektrostatičnim filtrom. V praksi se največ uporablja slednji. Ta prek visoke napetosti, ki doseže tudi 100 kV, ustvari električno polje. Polje molekule dimnih plinov ionizira. Vzpostavijo se negativni ioni, kateri naelektrijo prašne delce. Ti se s svojim negativnim nabojem privlačijo na plošče, oziroma del elektrod, ki je ozemljen. Delce lahko nato od plošč mehansko odstranimo. Elektrostatični filter se ponaša z zelo veliko učinkovitostjo, saj odstrani do 98 % trdih delcev [21].

Kadar elektrostatični filter ni zadosti, moramo uporabiti vrečasti filter. Ta dimne pline spušča skozi tkanino, ki je tako gosto pletena, da se trdni delci, katerih premer je lahko tudi manjši od enega mikrometra, v njej zaustavijo. Princip delovanja je enak navadni medicinski maski.

Vrečaste filtre redno menjamo, lahko pa jim odstranimo samo akumuliran material v filtru (odvisno od izvedbe) [21].

Zadnji stranski produkt zgorevanja fosilnih goriv, še posebej premoga, je pepel. Ta se ne nahaja v zraku, kot to velja pri sajah, temveč ostane na mestu sežiga, zato pepel ne moremo označiti kot emisijo. Pepel je treba odstraniti s kurišča termoelektrarne. Skozi leto se na svetu proizvede 129 milijonov ton pepela. Ekvivalent, ki bolje opiše količino pepela, je milijon polno naloženih železniških vagonov eden za drugim, ki zasedajo razdaljo med Melbournom v Avstraliji in Washingtonom D.C. v Ameriki [32].

V pepelu premoga se nahajajo nekatere neizgorele snovi, ki predstavljajo veliko grožnjo za okolje, če se jih nenadzorovano skladišči ali odvrže. Snovi, ki se skrivajo v pepelu premoga, za katere bi nas moralo skrbeti, so arzenik, svinec, krom in talij. Vse naštete snovi so težke kovine, ki so v velikih količinah zelo strupene za človeka, ogrožajo pa tudi živalstvo in rastlinstvo.

Zaradi pomanjkljivih zakonov, ki bi preprečevali nenadzorovano odlaganje pepela, se ta odlaga na mesta, kjer strupene snovi najdejo pot v podtalnico, jezera, reke in oceane [32].

17

Leta 2008 se je zgodil incident, kjer se je na odlagališču premogovega pepela termoelektrarne v zvezni državi Tennessee razlilo več kot 3,8 milijard litrov blata ali brozge, v katero se je zaradi prisotnosti vode spremenil pepel. Nesreča je nastala zaradi zrušitve opornih zidov, kateri so zadrževali pepel [32].

Zelo pogost način odlaganja pepela je deponiranje v rudnik, kjer je bil v predhodni fazi izkopan premog, sedaj pa njegovo mesto nadomesti pepel. Ker so rudniki premoga nahajajo globoko pod zemljo, je odlaganje pepela v te prostore zelo nevarno, saj obstaja verjetnost, da bodo toksične snovi našle pot v podtalnico, kar prikazuje tudi slika 12. S tem se ogrozi okolje in z njim povezanim človekom. Študije so pokazale, da dve tretjine odlagališč premoga v rudnikih onesnažijo tamkajšnje vode [31].

Slika 11: Ilustracija zapolnjevanja premogovih rudnikov s pepelom [31]

3.2 Negativne posledice pridobivanja zemeljskega plina

Glede izpustov toplogrednih plinov vedno pomislimo na termoelektrarne na premog, pozabimo pa na termoelektrarne na zemeljski plin, katere veljajo za ekološko prijaznejše elektrarne.

Vendar temu ni vedno tako.

Zemeljski plin je fosilno gorivo, saj preko milijonov let nastaja pod zemeljsko skorjo. Največji delež kemijske sestave zemeljskega plina predstavlja metan, katerega po kemijski formuli zapišemo kot CH4. V plinu se nahaja še etan s kemijski formulo C2H6, majhen delež pa predstavljajo še ostali ogljikovodiki, voda ter ogljikov dioksid. Seveda je vsebnost snovi odvisna, iz kje zemeljski plin izvira [33].

Metan je s svojim enim atomom ogljika in s štirimi atomi vodika idealen za absorbiranje toplote.

Zaradi tega je v obdobju dvajsetih let 90-krat bolj uspešen pri zaustavljanju odbite toplote od zemljine površine. Zaradi te lastnosti metan velja za enega »najmočnejših« toplogrednih plinov [34].

18

Zemeljski plin zgoreva veliko bolje kot premog, zato se ga v zadnjem času intenzivnejše uporablja kot nekakšno premostitveno gorivo, prek katerega bi se lahko postopoma oddaljili od premoga in prešli k bolj čistim virom energije, kot so jedrska, sončna, vetrna... Zemeljski plin in termoelektrarna, ki uporablja to gorivo, tako velja za »most med umazano in čisto proizvodnjo električne energije« [34].

Samo zgorevanje zemeljskega plina za okolje ne ustvarja prevelikega tveganja. Večjo nevarnost nosi način pridobivanja tega energenta. Standardni proces pridobivanja zemeljskega plina, ki ga velikokrat najdemo na isti lokaciji kot nafto, je s pomočjo vrtanja nepropustnih kamnin. Ko se naredi vrtina, iz nje najprej samostojno pride zemeljski plin, saj je ta lažji od zraka. Ko ves plin zapusti vrtino, lahko iz nje s pomočjo črpalk pridobimo še nafto [30].

Ker zemeljski plin samostojno, pretežno zaradi visokega pritiska, uhaja iz vrtine, je težko doseči, da bi plin črpali brez izgub. Znanstveniki so zaznali ekstremne koncentracije metana v ozračju, saj ga je veliko več, kot ga prek naravnih procesov v ozračje izpusti narava sama (razkrajanje, blatni vulkani, riževa polja,…) [35]. Po svetu je bilo zabeleženih že veliko primerov prekomernega uhajanja metana v ozračje. Eden večjih se je zgodil v Ameriki leta 2018, v zvezni državi Ohio [35]. Ker je metan brezbarven, javnost ni zaznala uhajanja plina na mestu črpanja. Tamkajšnji upravitelji črpališča zemeljskega plina so uhajanje zakrivali, dokler ga ni v objektiv zajel satelit. Po dvajsetih dneh so oblasti uhajanje ustavile. Velike količine metana so zašle v atmosfero, kjer krepijo toplogredni učinek in posledično segrevajo planet [35].

Zadnja desetletja, ko so zaloge zemeljskega plina blizu zemeljskega površja postale prazne, se je uvedel nov način črpanja – hidravlično lomljenje (angl. »fracking«) – kateri je bolj škodljiv kot navadno črpanje [34].

Slika 12: Črpanje zemeljskega plina [35]

Pridobivanje plina po metodi hidravličnega lomljenja je okolju zelo škodljiva [36], komercialno pa jo v svet intenzivno uvajajo v Združenih državah Amerike. Izvaja se z vrtanjem do več sto metrov pod zemeljskim površjem. Vrtina se na dnu podaljša v horizontalno smer, nato pa sledi

19

vbrizgavanje posebne tekočine pod zelo visokim tlakom. Tekočino sestavlja 8 milijonov litrov vode, pesek in toksične kemikalije. Med procesom vbrizgavanja nastanejo dolge in tanke razpoke, prek katerih pride do izriva zemeljskega plina. Nekaj ga uide v ozračje, ostalo količino pa se ujame. Na koncu se vrtina zapre, tekočina, ki je bila uporabljena v procesu hidravličnega lomljenj, pa ostane v izvrtini, kar je okoljsko zelo sporno [36]. Proces črpanja prikazuje slika 14.

Slika 13: Ponazoritev metode hidravličnega lomljenja [37]

Metoda se komercialno uporablja le kratek čas, zato so regulacije glede postopka zelo slabe ali pa jih sploh ni. Zaradi primerov v Ameriki, kjer se je kontaminirala podtalnica, se je veliko držav odločilo za prepoved te metode. Še ena negativna posledica te metode je možna sprožitev potresov. Na koncu se v velikih primerih pridobivanje zemeljskega plina izkaže za sporno, okolje in družba pa se temu primerno odzove [38].

Ravno z razvojem te metode se je vzporedno povečal tudi izpust metana. Sedaj vemo, da več kot polovica izpustov toplogrednega plina metana pride iz postopkov hidravličnega lomljenja.

Metan je 80-krat bolj toplogreden kot CO2. Metan v ozračju ostane 20 let, nato pa se spremeni v CO2, v obliki katerega vztraja še več stoletij [36].

3.3 Radioaktivno sevanje

Jedrske elektrarne imajo zelo malo emisij. Toplogredni plini za jedrsko elektrarno niso težava, saj jih ta izpušča minimalno. Lahko rečemo, da jih proizvede približno 90 % manj kot

20

konvencionalna termoelektrarna na premog. Edini opazen izpust CO2, ki ji ga lahko pripišemo, je proces izdelave jedrskega goriva [39].

Večji vpliv na okolje imajo radioaktivni odpadki. Ti v glavnem vsebujejo iztrošeno jedrsko gorivo ter odpadke, ki so stranski produkt izdelave jedrskega goriva. Odpadki ostanejo nevarni še dolgo let po njihovem nastanku, zato jih je potrebno pravilno zavarovati in skladiščiti. Če ne, lahko zaidejo v ozračje, vodovje ali prst, kjer direktno vplivajo na zdravje okolja in ljudi [39].

Jedrske elektrarne iztrošeno gorivo hranijo v posebnem objektu, ki preprečuje uhajanje radioaktivnih snovi [100]. Zelo redko se zgodi, da bi ti odpadki prišli v stik z zunanjo okolico, vendar po nekaterih državah se je to že zgodilo in stopnja nevarnosti je bila zelo velika.

Radioaktivno onesnažena podtalnica lahko pomeni smrt velikega števila prebivalcev, tako kot tudi kontaminirana prst in ozračje pomenita zelo hudo stopnjo ogroženosti za ljudi in okolje [40].

Ekstremni primeri onesnaženja so zabeleženi ob dogodkih jedrskih nesreč, kot sta bili tisti v Černobilu leta 1985 in v Fukušimi Daiči leta 2011 [39]. Takšne nesreče so vidno opustošile naravo in tam živeče prebivalstvo. Prst in podtalnica ostaneta radioaktivna še več desetletij, kar zahteva izselitev velikega števila prebivalstva [39].

Jedrska elektrarna ima v osnovi zelo majhen vpliv na okolje. Vendar to velja samo v primeru, če vse deluje po pravilih in brez zapletov. Težave nastanejo ob nesrečah, ki so lahko tako človeškega ali tehničnega izvora. Takrat pa jedrska elektrarna okolju predstavlja grožnjo, katero druge elektrarne niso možne ustvariti.

3.4 Negativni vplivi hidroelektrarn

Realizacija hidroelektrarn na rekah je mogoča le ob kompromisu, da posegamo v okolje in da s tem privabljamo veliko težav [40].Umestitev hidroelektrarne v prostor v kratkem časovnem obdobju popolnoma spremeni podobo okolice. Zaradi velikih jezov se nivo vode pred jezom drastično dvigne. To lahko povzroči, da se morajo nekateri prebivalci odseliti iz svojih domov.

Zaradi poplavljanja so ogroženi gozdovi in z njim povezane živali. Skrči se tudi površina obdelovalnih površin [40].

Povečano odlaganje mulja in proda povzroči, da se volumen akumulirane vode vsako leto zmanjšuje in slej ko prej je treba strugo očistiti. Nizek pretok reke povzroča prekomerno rast alg in vodnih rastlin, ki so zelo invazivne in lahko izrinejo bolj ustaljene rastlinske vrste [41].

Zaradi počasnejšega pretoka reke, ki jo povzročijo akumulacijske hidroelektrarne, se vzporedno spremeni tudi temperatura reke. Drastičnim spremembam se rastline in živali težko privadijo.

Dodatna nevarnost jeza oziroma akumulacije vode je, da se lahko struga pod njimi izsuši zaradi pretiranega zadrževanja vode. Tukaj je ključno upoštevanja pojma poimenovanega biološki

21

minimum, kateri določa najmanjši stalni pretok vode skozi jez, da se ohranijo pogoji za preživetje živečega rastlinja in živali v strugi pod jezom [41].

Še ena težava, ki jo mora hidroelektrarna rešiti, je migracija rib in ostalih vodnih živali. Ribe med migracijo naletijo na jezove hidroelektrarn, katere jim preprečujejo prehod. Zaradi tega se na veliko elektrarnah postavi tako imenovana ribja pot, ki ribam omogoči pot od spodnjega do zgornjega dela jezu [40]. Primer ribje poti prikazuje slika 15.

Slika 14: Primer ribje poti [42]

3.5 Okoljska obremenitev proizvodnje akumulatorjev za shranjevanje električne energije

Večina elektronskih naprav ima v sebi baterijo oziroma akumulator električne energije.

Proizvodnja teh sloni na pridobivanju kovin, ki se nahajajo v zemeljski skorji. Najbolj uporabljene so litij, kobalt ter redke zemlje. Pridobivanje teh kovin ima negativen vpliv na okolje. Lahko rečemo, da je proizvodnja baterij brez onesnaževanja in degradacije narave skoraj nemogoča. Največ kritik je prejelo pridobivanje redkih zemelj na Kitajskem [43].

Za razliko od zlata, ki ga v zemeljski skorji ni na pretek, je redkih kovin mnogo več. Edina težava je v tem, da redke kovine najdemo pomešane oziroma sprijete z drugimi elementi.

Ločevanje elementov se izkaže za zelo dragega, zapletenega in še posebej okoljsko spornega [43]. Proces lahko opišemo v dveh delih.

Prvi del vključuje odstranjevanje zgornjega dela prsti, katerega se transportira v bazene in mu doda kemikalije, katere ločijo elemente med seboj in izpostavijo redke zemlje. Okoljski problem prvega dela je, da lahko kemikalije pronicajo v podtalnico ter povzročijo erozijo zemlje [44].

Ko se odstrani zgornji del prsti, je na vrsti drugi del procesa. Globoko v prst so vstavljene PVC cevi, po katerih se pod pritiskom pretaka voda in kemikalije. V procesu se prst začne spirati, ta pa potuje v nove bazene, kjer se redke zemlje ločijo od drugih elementov v zemlji. Tukaj so

22

nevarnosti za okolje podobne kot pri prvem delu, vendar še nekoliko hujše, saj se kemikalije pod pritiskom črpa direktno v prst [44].

Pri pridobivanju redkih zemelj in ostalih kovin se vedno pojavi tudi stranski produkt, kateri je v tem primeru odpadna voda, polna strupenih kemikalij. To odpadno vodo se v večini primerov spušča nazaj v okolje, kot prikazuje slika 16.

Slika 15: Stranski produkt pridobivanja redkih zemelj, katerega se spušča nazaj v okolje [45]

Na Kitajskem, ki ima v lasti skoraj celoten svetovni trg izkopavanja redkih zemelj, so posledice na okolju že vidne. Degradacija prsti je povzročila nerodovitnost in onesnaženost, primer katerega prikazuje slika 15. V zelo velikih primerih pa je onesnažena tudi podtalnica, na katero se ljudje zanašajo kot vir pitne vode [44].

3.6 Nevarnosti vetrnih elektrarn

Vetrnice s svojo umestitvijo v prostor terjajo velike površine zemljišč, še posebej pri umestitvi za proizvodnjo velikih količin električne energije. Na hribovitih površinah je prostorska obremenitev manjša. Potrebno se je zavedati, da morajo biti vetrnice drug od druge odmaknjene za 5- do 10-kratnikov premera rotorja. Upoštevati pa je potrebno tudi dejstvo, da posamezna vetrnica za sabo pusti predel, kjer je veter zelo šibak, saj se zaletava v vetrnico in izgubi svojo kinetično energijo. Iz tega sledi, da je večji del zemljišča neizkoriščen, vendar še vedno spada pod vetrno elektrarno in je neuporaben za druge dejavnosti, razen v nekaterih primerih za kmetijske dejavnosti [46].

Zaradi velike hitrosti elis obstaja nevarnost tudi za živali. Ogrožene so lahko ptice in netopirji.

Živali se med letom zaletijo v vrteče se elise, lahko pa je usodna že sama sprememba zračnega tlaka. Težave so dosti manj zaskrbljujoče, kot jih poudarjajo nekateri okoljevarstveniki [47].

Ker netopirji letijo v času slabih vetrov, lahko smrtne izide zmanjšamo za 50 % z izklopom vetrne elektrarne pri majhnih hitrosti vetra, kar ne bi močno vplivalo na proizvodnjo električne

23

energije [46]. Z načinom, da se ena izmed elis vetrnice pobarva v črno barvo, bi lahko preprečili zaletavanje ptic [47]. Ker se ob vrtenju črne elise optično prikazujejo kot ena velika črna krogla, je to zadosti, da ptice prestraši in jih preusmeri [47].

4 Družbena sprejemljivost proizvodnje električne energije

4.1 Jedrske nesreče

Kljub zelo visokim standardom za varnost jedrskih elektrarn se napake po svetu še vedno dogajajo. Največje naravne katastrofe so povezane ravno z jedrskimi nesrečami. Koncept jedrske elektrarne dobi največ negativnih kritik ravno zaradi jedrskih nesreč, kot so bile v Černobilu leta 1985 in v Fukušimi Daiči leta 2011. Iz tega sledi tudi zaskrbljenost glede odlaganja radioaktivnih odpadkov, na katere so bližnji prebivalci jedrskih elektrarn pogostokrat zaskrbljeni [48].

V Černobilu se je 26. aprila 1986 zgodila najhujša jedrska nesreča v zgodovini. V jedrski elektrarni na severu Ukrajine je eksplodiral in zgorel reaktor številka 4. Nesreča je bila prelomnica za jedrsko energijo kot tudi za takratno hladno vojno [48].

Po drugi svetovni vojni je Sovjetska zveza veliko vlagala v idejo proizvodnje električne energije z jedrsko cepitvijo. Leta 1977 so v Černobilu postavili štiri RBMK oziroma grafitno vodno hlajene reaktorje. Večer pred nesrečo se je izvajal varnostni pregled, katerega namen je bil testirati hladilni sistem reaktorja 4 ob napaki/izpadu napajanja elektrarne. Med testom so delavci in njihove vodje kršili varnostne protokole in po spletu okoliščin je moč v reaktorju 4 drastično narasla. Ob urgentnem spuščanju regulacijskih palic je prišlo do eksplozije in zadrževalni hram, kateri je onemogočal prehod radioaktivnih snovi, je eksplodiral [48].

Ukrepanje s strani Sovjetske zveze ni bilo strokovno in pravočasno [48]. Zaradi političnih napetosti se je novica o nesreči zadrževala. Prebivalce mesta Pripjat, kjer je živelo tudi večina osebja jedrske elektrarne, so evakuirali šele 36 ur po eksploziji. Novica o nesreči se ni mogla dolgo zadrževati, saj so radiacijo zaznali v drugih državah. Kmalu zatem je svet ugotovil, da se je zgodilo nekaj hudega. Približno 60 kubičnih metrov jedrskega goriva je ob eksploziji razpršilo v ozračje. Število umrlih in poškodovanih je težko oceniti, saj so posledice izpostavljenosti radiaciji dolgotrajne. Mednarodni raziskovalci predvidevajo, da bo okoli 9000 ljudi trpelo posledice izpostavljenosti radiaciji prek rakovih obolenj [48].

Posledice jedrske nesreče v Černobilu niso vidne samo na ljudeh, ki so bili izpostavljeni ekstremnemu sevanju. Vidne so po celem svetu, saj je v družbi še vedno prisoten strah pred novo jedrsko nesrečo. Zaradi tega se je po svetu ustvarilo veliko anti-jedrskih iniciativ. Ljudje so postali nezaupljivi do jedrske tehnologije in nove gradnje nuklearnih elektrarn dobivajo veliko negativnih odzivov [48].

24

Tudi jedrska nesreča v Fukušimi Daiči je vplivala na globalno mnenje o jedrskih elektrarnah.

Po desetih letih od potresa in cunamija, ki je povzročil izpad hlajenja sredice reaktorja in posledičnega taljenja reaktorske stavbe, se je narava počasi začela regenerirati od radioaktivnega onesnaženja. Sadje in zelenjava so spet užitna, prav tako so ribiški ulovi po radioaktivnosti v mejah »normale« v morju na vzhodu Japonske. Jasno je, da si narava hitreje opomore od katastrofe kot človeška zavest in zaupanje. Prav tako, kot v Černobilu, se je tudi v Fukušimi zgodila nesreča zaradi človeških napak in prekrivanja resnice. Tudi v Fukušimi so lastniki jedrske elektrarne še dva mesca po nesreči zanikali, da se je reaktorska sredica stopila in da je bilo v ozračje spuščena velika gmota radioaktivnih snovi. Ljudje so zaradi dogodkov nezaupljivi in večina se kljub zagotovilom, da je območje okoli elektrarne varno za prebivanje, nočejo vrniti v svoje domove. Štiriindvajset držav, vključno s Tajvanom, Južno Korejo ter Kitajsko, še vedno prepovedujejo uvoz hrane iz prefekture Fukušima [49].

Družbeni odpor proti jedrskim elektrarnam se z vsako nesrečo in incidentom povečuje. Eden izmed takšnih odporov proti jedrski elektrarni se je manifestiral v Avstriji. Osrednji problem je bila jedrska elektrarna Zwentendorf. Avstrija je v letu 1972 začela z gradnjo svoje prve jedrske elektrarne, katere namen je bil s svojimi 700 MW električne moči proizvajati 10 % vse električne energije za državo Avstrije. Vendar avstrijska elektrarna je bila na poti, da postane prva jedrska elektrarna na svetu, katera je bila zgrajena, vendar nikoli ni proizvedla niti ene kilovatne ure električne moči [50].

Leta 1975 je v Avstriji zacvetela iniciativa nasprotnikov avstrijske nuklearne energije, katera je v nekaj letih pridobila 500 tisoč članov. Leta 1977 je devet mater prek gladovne stavke imelo namen ustaviti pred-zagonske preizkuse in meritve v že zgrajeni jedrski elektrarni Zwentendorf.

Dogodek je vzbudil veliko pozornost in država je bila razdvojena na dve strani. Prebivalci so bili proti zagonu jedrske elektrarne, politiki in industrija pa so navijali za zagon. Takratna avstrijska vlada in kancler Bruno Kreisky so odobrili referendum, v katerem se je odločala prihodnost jedrske elektrarne. Referendum je s 50,47 odstotno večino odločil zaprtje elektrarne.

Tako milijard evrov vredna jedrska elektrarna nikoli ni bila zagnana in dogodek je bil zgled, da je mnenje ljudi še kako pomembno pri energetski prihodnosti države [51].

4.2 Obnovljivi viri električne energije

Po svetu se širi podpora za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov. Elektrarne, ki so prijele največ družbenega zanimanja, so sončne in vetrne elektrarne. Ti dve izbiri so na pogled zelo dobra alternativa okoljsko spornim termoelektrarnam na fosilna goriva, saj sta sonce in veter na voljo v neomejenih količinah in elektrarni med obratovanjem ne proizvajata nobenih emisij [52].

V Nemčiji se prizadevajo ustvariti elektroenergetski sistem, kateri bi deloval brez kakršnih koli elektrarn, ki ne uporabljajo obnovljivih virov električne energije. Preskok na brezogljično proizvodnjo električne energije so v Nemčiji označili kot Energiewende (energetski preobrat).

Tudi tukaj bi se elektroenergetski sistem močno zanašal na sončne in vetrne elektrarne.

25

Vendar pri podrobnejšem vpogledu v tak sistem ugotovimo, da imajo vetrne in sončne elektrarne veliko težavo - nezanesljivost. Sončna elektrarna ne proizvaja EE ponoči in ob trenutkih, ko oblak prekrije sonce. Podobno je labilna tudi vetrna elektrarna, pri kateri se proizvodnja ustavi ob brezvetrju oziroma ob manjših količinah vetra. Problematiko bomo bolj natančno obrazložili v poglavju 5.