IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI

Lokalne systemy energetyczne
IV.PREFEROWANE
ROZPROSZONEJ
TECHNOLOGIE
GENERACJI
Dwie grupy technologii:
układy
kogeneracyjne
do
jednoczesnego
wytwarzania
energii
elektrycznej
i
ciepła
wykorzystujące silniki tłokowe, turbiny gazowe,
turbiny parowe, silniki Sterlinga, ogniwa paliwowe i
mikroturbiny,
układy wykorzystujące OZE do produkcji energii
elektrycznej:
elektrownie
wiatrowe,
ogniwa
fotowoltaiczne,
elektrownie
wodne
(MEW),
elektrownie i elektrociepłownie na biomasę.
Historycznie pierwsza technologia w kierunku generacji
rozproszonej:
układ z turbiną przeciwpręŜną
(moc elektryczna 0.05÷500MW)
cechy charakterystyczne:
- moŜliwy pobór pary o róŜnych parametrach na
róŜne cele po zastosowaniu dodatkowych
upustów,
- pobór pary obniŜa wytwarzaną moc elektryczną,
- niska
sprawność
wytwarzania
energii
elektrycznej (7-20%), sprawność ogólna >80%,
1
Lokalne systemy energetyczne
- potrzebna do napędu turbiny para wodna moŜe
być wytwarzana przy zastosowaniu szerokiej
gamy paliw: węgiel, paliwa ciekłe, gaz ziemny,
biomasa;
układ z turbiną kondensacyjno-upustową
- wyŜsza
sprawność
wytwarzania
elektrycznej, ale większe straty ciepła
energii
- moŜliwy pobór pary o róŜnych parametrach na
róŜne cele,
1. Układy
kogeneracyjne
do
jednoczesnego
wytwarzania energii elektrycznej i ciepła
wykorzystujące
silniki
tłokowe,
turbiny
gazowe, turbiny parowe, silniki Stirlinga,
ogniwa paliwowe i mikroturbiny
1.1. Uwagi ogólne
Kogeneracja (CHP – combined heat and power) polega
na wykorzystywaniu ciepła, powstającego jako produkt
odpadowy podczas tych wszystkich metod wytwarzania
(generacji) energii elektrycznej, które bazują na
procesach spalania paliw.
Zalety:
oszczędność paliw,
mniejsze ilości powstających zanieczyszczeń;
wniosek: kogeneracja korzystna z punktu widzenia
ochrony środowiska i gospodarowania zasobami paliw
organicznych
2
Lokalne systemy energetyczne
Podstawowe ograniczenie stosowania kogeneracji:
konieczność
występowania
jednoczesnego
zapotrzebowania na ciepło grzejne i energię
elektryczną
1.2. Układy z turbiną gazową lub tłokowym
silnikiem spalinowym
1.2.1.
Układ prosty:
• turbina gazowa + kocioł odzyskowy
(energia elektryczna wytwarzana w generatorze
napędzanym przez turbinę gazową,
moc elektryczna >1 MW: jednostki o mniejszych
mocach mają mniejsze sprawności oraz wymagają
względnie wysokich nakładów)
• tłokowy silnik spalinowy + wymienniki ciepłownicze
(energia elektryczna wytwarzana w generatorze
napędzanym przez silnik,
moc elektryczna 5 kW-50 MW)
Uwaga: typowy stosunek ciepła do energii elektrycznej
wytwarzanych w skojarzeniu wynosi w układzie prostym
ok. 2,5:1
Rys.IV.1. Prosty układ skojarzony oparty na silniku tłokowym
lub turbinie gazowej [6]
3
Lokalne systemy energetyczne
Źródła ciepła z silnika:
• układ chłodzenia płaszcza wodnego
• układ chłodzenia miski olejowej
ciepło z tych źródeł odprowadzane jest w postaci
gorącej wody o temperaturze 85-900C
• spaliny
wymienniki instalowane w ciągu spalinowym mogą
„produkować” gorącą wodę lub parę o niskich
parametrach; tradycyjny układ wymienników ciepła
pozwala obniŜyć temperaturę spalin do ok. 1200C
– dalszy odzysk ciepła moŜliwy przy wykorzystaniu
wymienników
kondensacyjnych
(ciepło
niskotemperaturowe)
Uwaga: wskaźnik wykorzystania energii
paliwa dla całego układu wynosi ok. 60%
chemicznej
Źródło ciepła z turbiny gazowej:
• spaliny
temperatura spalin za turbiną gazową wynosi
270-6000C, co pozwala na produkcję pary o
średnich
i
wysokich
parametrach
w
kotle
odzyskowym
Uwaga: wskaźnik wykorzystania energii chemicznej
paliwa dla całego układu wynosi 80-90%, co wynika z
odzysku wysokiej jakości ze spalin w formie pary o
średnich i wysokich parametrach
4
Lokalne systemy energetyczne
Rys.IV.2. Wykres pasmowy bilansu energii dla prostego układu
skojarzonego z turbiną gazową [6]
Zastosowanie małych układów CHP:
szpitale, ośrodki edukacyjne (szkoły, uniwersytety),
centra sportowe (często z basenem lub lodowiskiem),
biurowce i obiekty uŜyteczności publicznej, hotele,
zakłady penitencjarne, budynki sadów i komisariatów,
skupiska
domków
jednorodzinnych,
zakłady
przemysłowe (spoŜywcze, piwowarskie, papiernicze i
chemiczne), oczyszczalnie ścieków.
1.2.2.
Układ kombinowany
układ gazowo-parowy):
(zintegrowany
(moc elektryczna>0.5 MW)
turbina gazowa + kocioł odzyskowy + turbina
parowa + wymienniki ciepłownicze
Przykładowe układy:
zintegrowany układ gazowo-parowy na gaz ziemny
– sprawność elektryczna do 60 %
5
Lokalne systemy energetyczne
zintegrowany układ gazowo-parowy na gaz ze
zgazowania węgla – sprawność elektryczna do
45%, korzystniejsze z punktu widzenia ochrony
środowiska niŜ elektrownie węglowe
układ gazowo-parowy z ciśnieniowym kotłem
fluidalnym – sprawność elektryczna do 45%,
sprawność pracy ciepłowniczej do 90%
1.1. Układ z mikroturbiną
energia elektryczna wytwarzana
napędzanym przez silnik
źródło ciepła – spaliny
moc elektryczna: 25 – 500 kW
w
generatorze
• małe rozmiary
• szeroka gama paliw: gaz ziemny, biogaz,
benzyna, olej napędowy
• sprawność ogólna (z odzyskiem ciepła) >85%,
niska sprawność elektryczna - 20-30%
1.2. Układ z silnikiem Stirlinga
energia elektryczna wytwarzana w generatorze
napędzanym przez silnik
moc elektryczna: 1kW - 25kW
gaz roboczy: powietrze, hel i in.
źródło ciepła – układ schładzania gazu roboczego
6
Lokalne systemy energetyczne
Rys.IV.3. Schemat silnika Stirlinga [1]
•
małe rozmiary
stacjonarne)
(urządzenia
przenośne
lub
•
cicha praca (mała ilość części ruchomych,
spalanie ciągłe) – moŜliwość stosowania w
budynkach mieszkalnych
•
spalanie
zewnętrzne,
stosowania
szerokiej
odnawialnych
źródeł
odpadowego
•
wysokie koszty i problemy z niezawodnością
a
więc
moŜliwość
gamy
paliw
lub
energii
i
ciepła
1.3. Ogniwa paliwowe
bezpośrednie przetwarzanie energii chemicznej paliwa
na energię elektryczną
moc elektryczna: 1kW – 10MW,
sprawność elektryczna: 30 – 70%
stosowane paliwa: wodór i inne paliwa węglowodorowe
7
Lokalne systemy energetyczne
Rys.IV.4. Reakcje elektrochemiczne zachodzące w ogniwach
paliwowych [10]
Rys.IV.5. Ogniwo paliwowe [10]
8
Lokalne systemy energetyczne
Klasyfikacja ogniw ze względu na rodzaj elektrolitu
(z rodzajem elektrolitu wiąŜą się temperatury, w
których zachodzą reakcje):
ogniwa paliwowe z elektrolitem
(PEFC); temperatura pracy: 800C
polimerowym
ogniwa paliwowe z elektrolitem alkalicznym (AFC);
temperatura pracy: 1000C
ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci kwasu
fosforowego (PAFC); temperatura pracy: 2000C
ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci ciekłych
węglanów litu i potasu (MCFC); temperatura pracy:
6500C
ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci stałej
(SOFC); temperatura pracy: 10000C
Uwaga:
na
dzień
dzisiejszy
w
eksploatacji
przemysłowej znajdują się ogniwa PEFC, AFC i PAFC
Rys.IV.6. Ogniwo paliwowe [1]
9
Lokalne systemy energetyczne
Zalety:
• modułowy system budowy, łatwość rozbudowy
• wysoka sprawność elektryczna
• cicha praca (brak części ruchomych)
• niska emisja NOx i CO2
• róŜne – w zaleŜności od rodzaju
moŜliwości wykorzystania ciepła
10
ogniwa
-