Autor: prof. dr hab. inż. Maciej Chorowski, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska

Transkrypt

1 RIGNERACJA - zalety i ograniczenia Ator: prof. dr ab. inż. Maciej Corowski, Wydział Mecaniczno-Energetyczny, Politecnika Wrocławska ("Nowa Energia" - nr 4/2014) rigeneracja jest systemem pozwalającym na równoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i cłod, przy czym cłód jest zyskiwany przy wykorzystani tecnologii sorpcyjnyc i z życiem ciepła pocodzącego z kogeneracji. Efektywny system trigeneracyjny powinien mieć zdolność konwersji na cłód ciepła o jak najniższej temperatrze, co pozwala na zyskanie wysokiej efektywności kogeneracji. ermodynamiczne podstawy trigeneracji Z II Zasady ermodynamiki wynika, że konwersja ciepła o temperatrze na pracę mecaniczną W podlega ograniczeni wyrażonem wzorem Carnota: W (1) gdzie ε oznacza sprawność idealnego silnika Carnota, a - temperatrę dolnego źródła ciepła. Jeżeli celem siłowni cieplnej jest maksymalizacja sprawności, to dąży się do sytacji, w której temperatra dolnego źródła ciepła jest możliwie bliska temperatrze otoczenia, a ciepło nie ma walorów żytkowyc. Sytacja taka ma miejsce w elektrowniac zawodowyc, któryc sprawności termodynamiczne przekraczają obecnie 40% i zbliżają się do 50%. Jeżeli natomiast ciepło miałoby być wykorzystywane np. na cele grzewcze, to temperatra msi być istotnie wyższa od temperatry otoczenia i wynosić np. 90 o C. Prowadzi to do istotnego spadk sprawności termodynamicznej siłowni (o około 10%) i jedynym zasadnieniem dla takiego działania jest wykorzystanie ciepła, które inaczej msiałoby być wytworzone w atonomicznym kotle ciepłowniczym. Sytacja taka ma miejsce w systemac kogeneracyjnyc, czyli elektrociepłowniac, któryc głównym prodktem jest ciepło, a wytworzona w skojarzeni energia elektryczna jest łatwo zbywalnym prodktem bocznym. Systemy kogeneracyjne są więc wrażliwe na zapotrzebowanie na ciepło i szczególnie w okresac letnic mogą carakteryzować się niską efektywnością ekonomiczną, kiedy przy brak popyt na ciepło jedynym prodktem byłaby wytwarzana z niską sprawnością termodynamiczną energia elektryczna. Dodatkowo docodzą trdności tecniczne związane z brakiem możliwości cłodzenia skraplaczy pary. Jest więc pewnym paradoksem, że przy wysokic temperatrac w okresac letnic

2 coraz bardziej poplarne systemy klimatyzacyjne wymagają energii elektrycznej, której elektrociepłownie nie mogą wytwarzać, ze względ na brak możliwości odprowadzania ciepła do sieci miejskic. W efekcie bardzo prawdopodobnym okresem na wystąpienie blackot jest lato, kiedy mogą pojawić się równocześnie: ograniczenie wytwarzania energii elektrycznej w elektrociepłowniac, spowodowany wysokimi temperatrami zewnętrznymi spadek efektywności elektrowni zawodowyc i wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną wygenerowany przez systemy klimatyzacyjne. Sytacja ległaby zmianie, gdyby węzły cieplne zostały wyposażone w kłady konwersji ciepła na cłód, co wytworzyłoby dodatnie sprzężenie zwrotne pomiędzy wysoką temperatrą zewnętrzną i zapotrzebowaniem na ciepło pocodzące z kogeneracji. Rozwiązaniem tego problem może być w pewnyc warnkac trigeneracja, czyli równoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, żytecznej energii cieplnej oraz cłod o parametrac wymaganyc przez systemy klimatyzacyjne. rigeneracja jest więc kogeneracją dodatkowo wyposażoną w agregaty pozwalające na konwersję części ciepła na moc cłodniczą, co scematycznie pokazano na rys. 1. smmer e Heat Engine Ciller W winter Generator W el l Rys. 1. Uproszczony scemat trigeneracji, Heat Engine - silnik cieplny, Ciller - klimatyzator, smmer - tryb pracy letniej, winter - tryb pracy zimowej, - ciepło o temperatrze pobierane przez silnik, W - energia mecaniczna, W el - energia elektryczna, - żyteczne ciepło mogące podlegać konwersji na cłód w klimatyzatorze, l - moc cłodnicza klimatyzatora, e - ciepło odprowadzane do otoczenia przez klimatyzator O ile w systemac kogeneracyjnyc stosnek wytworzonej energii elektrycznej do ciepła zależy od praw termodynamiki oraz zastosowanej tecnologii, o tyle w przypadk trigeneracji możliwa jest konwersja na cłód dowolnej części wytworzonego ciepła. W systemac trigeneracyjnyc możliwe jest bezpośrednie wykorzystanie ciepła, np. na cele grzewcze w okresie zimowym lb częściowa konwersja ciepła na cłód z wykorzystaniem rządzeń cłodniczyc, któryc energią napędową jest energia cieplna. Obecnie rządzeniami takimi są agregaty absorpcyjne, w któryc czynnikiem cłodniczym jest woda.

3 Na rys. 2 pokazano na wykresie temperatra - entropia s model idealnego system trigeneracyjnego, w którym wszystkie obiegi termodynamiczne, a więc zarówno prawobieżny silnika cieplnego, jak i lewobieżny cłodziarki (klimatyzatora) są obiegami Carnota. W = W l W W e l W l l s Rys. 2. ermodynamiczny model idealnego system trigeneracyjnego, gdzie = W +W + - ciepło o temperatrze wysokiej pobrane przez system, W - energia mecaniczna (podlegająca konwersji na energię elektryczną, W = W l energia wykorzystana do napęd sprężarki cieplnej cłodziarki, - ciepło odpadowe z kogeneracji, l - moc cłodnicza cłodziarki (klimatyzatora) s W prawobieżnym obieg wytwarzana jest energia mecaniczna W, która może być następnie bez ograniczeń przekształcana na energię elektryczną. Część z odpadowego ciepła równa W zostaje wykorzystana do napęd sprężarki termicznej w lewobieżnym obieg cłodziarki o pracy równej W l = W. W trigeneracji relacje pomiędzy, W, and l są stalone i przy założeni, że zarówno silnik cieplny jak i cłodziarka realizją obiegi Carnota, są równe: W, (2) Przy czym relacja pomiędzy i l przy założeni, że całe ciepło jest wykorzystane do napęd sprężarki cieplnej cłodziarki, jest równa: l e l l (3)

4 Jak wynika ze wzorów 1-3 w systemac trigeneracyjnyc występją sztywne relacje pomiędzy wytwarzanymi z paliwa pierwotnego różnymi postaciami energii. Rzeczywiste systemy realizją obiegi inne niż obieg Carnota i carakteryzjące się niższymi efektywnościami, ale również wyznaczające stalone relacje pomiędzy wytworzonymi energią elektryczną, ciepłem i cłodem. Stanowi to istotną trdność w projektowani oraz eksploatacji systemów trigeneracyjnyc. Ze względ na stosnkowo niskie sprawności termodynamiczne stosowanyc w trigeneracji silników cieplnyc (rzęd 40% dla silników i 30% dla trbin gazowyc) oraz wysoki koszt paliwa (gaz), wytwarzanie energii elektrycznej będącej najłatwiej zbywalnym prodktem trigeneracji ma sens tylko w przypadk pełnego wykorzystania ciepła odbieranego od silników. W przypadk podłączenia do trigeneracji obiektów mieszkalnyc i birowyc gwarancją odbior ciepła i cłod są niskie i wysokie temperatry zewnętrzne w okresac zimowyc i letnic. Natomiast w okresac przejściowyc mogą wystąpić trdności z zapewnieniem odbior ciepła. Rozwiązaniem tego problem jest podłączenie do trigeneracji odbiorników ciepła lb cłod możliwie mało człyc na temperatry zewnętrzne, takic jak baseny, serwerownie, procesy tecnologiczne wymagające ciągłego cłodzenia, głębokie kopalnie wymagające klimatyzacji. W systemac trigeneracyjnyc temperatra ciepła pocodzącego z kogeneracji msi być wystarczająca do napęd sprężarki termicznej cłodziarki. Dostępne komercyjnie tecnologie absorpcyjne (cłodziarki z wodnym roztworem BrLi) pozwalają na wykorzystanie ciepła o temperatrze nie niższej niż około 85 C, gdyż taka temperatra jest niezbędna do regeneracji roztwor H 2 O - BrLi. Absorbery nie mogą być zasilane pocodzącym z kogeneracji ciepłem rozprowadzanym sieciami ciepłowniczymi i carakteryzjącym się w okresie letnim temperatrą wynoszącą około 65 C. Jest to istotna trdność w rozpowszecnienie trigeneracji w miastac, w któryc istnieją elektrociepłownie. Wykorzystanie ciepła sieciowego do wytwarzania cłod na potrzeby klimatyzacji przy wykorzystani agregatów absorpcyjnyc z wodnym roztworem BrLi, wymagałoby podniesienia w okresie letnim temperatry wody sieciowej do około 90 o C. Prowadziłoby to do obniżenia efektywności wytwarzania energii elektrycznej i zwiększyło straty ciepła w sieci, czyniąc całą operację nieopłacalną ekonomicznie. Poszkiwane są więc tecnologie pozwalające na wykorzystanie ciepła o temperatrze wynoszącej około o C do napęd cłodziarek wytwarzającyc cłód na cele klimatyzacyjne. ecnologie te wykorzystją zjawisko adsorpcji wody w złożac silikażelowyc lb zeolitowyc, które mogą być regenerowane ciepłem o temperatrze wynoszącej około 60 o C. Obniżenie temperatry regeneracji złoża prowadzi do spadk efektywności termodynamicznej cłodziarki. Efektywności termodynamiczne cłodziarek absorpcyjnyc, w któryc czynnikiem cłodniczym jest woda, a absorberem bromek lit BrLi wynoszą około 80%, natomiast efektywności badanyc obecnie cłodziarek adsorpcyjnyc są rzęd 40%. Oznacza to, że w przypadk wykorzystania ciepła sieciowego w trigeneracji, z 1 GJ energii cieplnej zyskane zostałoby jedynie około 0,4 GJ cłod o temperatrze około 8 o C. Podsmowjąc można stwierdzić, że wykorzystjąc dostępne obecnie tecnologie, systemy trigeneracyjne powinny być bdowane jako lokalne, tj. absorbery powinny być lokowane możliwie blisko kogeneratorów.

5 Przykład system trigeneracyjnego Z przedstawionyc rozważań wynika, że opłacalność systemów trigeneracyjnyc wymaga zrównoważenia popytem na cłód ciepła wytwarzanego przez kogenerację w okresac letnic. Podobnie jak kogeneracja, trigeneracja może carakteryzować się niską efektywnością termodynamiczną w okresac przejściowyc, kiedy brak jest zapotrzebowania zarówno na ciepło do ogrzewania, jak i moc cłodniczą do systemów klimatyzacyjnyc. Stanowi to o stosnkowo niewielkim zainteresowani projektantów i inwestorów systemami trigeneracyjnymi ze względ na wysokie koszty inwestycyjne, które mogą być trdne do zwrot przy brak stałyc odbiorów ciepła i cłod, bez względ na porę rok. Przykładem lokalnego system trigeneracyjnego jest instalacja zbdowana we Wrocławskim Park ecnologicznym, której scemat przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Scemat blokowy system trigeneracyjnego we Wrocławskim Park ecnologicznym System trigeneracyjny we Wrocławskim Park ecnologicznym może wytwarzać moc elektryczną wynoszącą 2,8 MWe oraz 3 MW mocy cieplnej pocodzącej od cłodzenia silników gazowyc i spalin, która może być konwertowana na 2,8 MW mocy cłodniczej. W skład węzła trigeneracyjnego wcodzą dwa silniki tłokowe zasilane gazem ziemnym z generatorami syncronicznymi o mocy elektrycznej 1,4 MW każdy, dwa kotły odzysknicowe o mocy cieplnej 1,5 MW każdy, dwa cłodnicze agregaty absorpcyjne o

6 sprawności termodynamicznej wynoszącej około 80% i wydajności cłodniczej 1,1 MW każdy oraz dwa sprężarkowe agregaty cłodnicze o mocy 0,28 MW każdy. Generatory przyłączone są do sieci rozdzielczej 10 kv i w warnkac normalnyc pracją syncronicznie z systemem elektroenergetycznym. Wytworzone ciepło oraz moc cłodnicza wykorzystywane są do ogrzewania i klimatyzacji nowopowstałyc oraz dotycczasowyc bdynków Wrocławskiego Park ecnologicznego o łącznej powierzcni około 40 tys. m 2. Zarówno ciepła woda grzewcza, jak i woda lodowa są doprowadzane preizolowanymi rrociągami do bdynków oddalonyc od węzła trigeneracyjnego o kilkaset metrów. Podstawową trdnością eksploatacyjną trigeneracji we Wrocławskim Park ecnologicznym jest brak możliwości zagwarantowania stałego w czasie odbior ciepła z kotłów odzysknicowyc. Poza okresami bardzo niskic lb bardzo wysokic temperatr zewnętrznyc brak jest zapotrzebowania na ciepło lb cłód w ilości gwarantjącej pełne obciążenie cieplne kogeneratorów. Oznacza to brak możliwości wytwarzania energii elektrycznej w okresac przejściowyc, gdyż przy obecnyc cenac energii i gaz oraz względniając sprawność silników cieplnyc wynoszącą 40%, tylko przy sprzedaży ciepła eksploatacja kogeneratorów jest ekonomicznie zasadniona. W przypadk trigeneracji klczowe jest więc możliwie stabilne kształtowanie zbyt na ciepło w postaci bezpośredniej lb po konwersji na cłód. Przykładowymi obiektami gwarantjącym stałe zapotrzebowanie na moc cłodniczą na cele klimatyzacyjne są serwerownie. We Wrocławskim Park ecnologicznym planowana jest bdowa serwerowni, której system klimatyzacyjny będzie wymagał około 1 MW cłod w postaci wody lodowej, co zapewni praktycznie pełne obciążenie cieplne jednego z kogeneratorów. Dodatkową zaletą klimatyzacji serwerowni z trigeneracji jest potencjalna możliwość pracy na wyspę kogeneratorów i zapewnienie energii elektrycznej w przypadk dłgotrwałej awarii zasilania. Warnkiem ciągłości wytwarzania energii elektrycznej jest oczywiście brak przerw w dostawac gaz lb zasilanie silników skroplonym gazem ziemnyc LNG, który może być magazynowany przy węźle trigeneracyjnym w ilości wystarczającej nawet na kilka tygodni pracy instalacji. Obiektami szczególnie predestynowanymi do klimatyzacji cłodem pocodzącym z trigeneracji są głębokie kopalnie, w któryc temperatra może przekraczać 40 o C. Kopalnie stanowią praktycznie stałe odbiorniki na moc cłodniczą, która w zależności od temperatry zewnętrznej może być wytwarzana w lewobieżnyc obiegac termodynamicznyc lb wykorzystywać niską temperatrę powietrza, tzw. free cooling. Przykładowe zapotrzebowanie na poszczególne postaci energii w jednej z kopalń KGHM wynosi: 16 MW - energia elektryczna (odbiór szczytowy), 11 MW mocy cłodniczej oraz do 14 MW ciepła do ogrzewania powietrza wentylacyjnego wprowadzanego do szybów w okresie bardzo niskic temperatr zewnętrznyc. Ponieważ w okresie zimy można wykorzystywać free cooling na cele klimatyzacji i wolnić ciepło z kogeneracji do podgrzewania powietrza wentylacyjnego, kopalnia stwarza bardzo zrównoważone odbiory na wytwarzane w trigeneracji postaci energii, co pozwala na efektywne wykorzystanie system. Dodatkowo ze względów na oddalenie wentylacyjnyc szybów wlotowyc i wylotowyc nie jest możliwa rekperacja ciepła z powietrza wylotowego, jak to ma miejsce w typowyc systemac klimatyzacyjnyc.

7 Cłodziarki adsorpcyjne szansą na wykorzystanie ciepła sieciowego w trigeneracji Większość dżyc polskic miast jest wyposażona w sieci ciepłownicze zasilane z elektrociepłowni. W okresac letnic elektrociepłownie maja trdności ze zbytem ciepła, co powodje ograniczenia w wytwarzani energii elektrycznej. Przeszkodą tecniczną w wykorzystani ciepła sieciowego na cele klimatyzacji przy zastosowani agregatów absorpcyjnyc jest jego niska temperatra wynosząca w okresac letnic około 65 o C. Ciepło o takic parametrac może być wykorzystane na cele klimatyzacji jeśli agregaty absorpcyjne zostaną zastąpione adsorpcyjnymi. Główną zaletą agregatów adsorpcyjnyc nad absorpcyjnymi jest możliwość zasilania ic ciepłem o niższyc parametrac. Podczas gdy agregaty absorpcyjne wymagają zasilania wodą o temperatrze nie niższej niż 85 C, do zasilania agregatów adsorpcyjnyc może być wykorzystana woda o temperatrze nie niższej niż 60 C. We Wrocławskim Park ecnologicznym we współpracy z Politecniką Wrocławską oraz EDF CUW Sp. z o.o. prowadzone są dłgoterminowe badania prototypowej trójzłożowej cłodziarki adsorpcyjnej o mocy 90 kw przedstawionej na rys. 4 i 5. Rys. 4. Scemat trójzłożowej cłodziarki adsorpcyjnej badanej we Wrocławskim Park ecnologicznym (prodkcja NE SA)

8 Kondensator Złoże adsorbera Parowacz niskociśnieniowy Parowacz wysokociśnieniowy Rys. 5. rójzłożowa cłodziarka adsorpcyjna o mocy cłodniczej 90 kw, Wrocławski Park ecnologiczny Cłodziarka posiada 3 złoża adsorpcyjne wypełnione silikażelem i pracjące naprzemiennie jako adsorbjące i desorbjące wodę będącą czynnikiem cłodniczym. Sorpcja zacodzi w dwóc złożac przy różnyc ciśnieniac, co pozwala na równoczesne wytwarzanie mocy cłodniczej na dwóc poziomac temperatr, tj. 8 C oraz 15 C. Woda lodowa o temperatrze 15 C może być wykorzystana np. do klimatyzacji serwerowni, natomiast woda lodowa o temperatrze 8 C może zostać skierowana do wymienników ciepła w pomieszczeniac bytowyc. Możliwe jest również połączenie szeregowe dwóc parowaczy i wytwarzanie wody lodowej o temperatrze 8 o C, ale za cenę zmniejszenia całkowitej mocy cłodniczej. rzecie złoże adsorpcyjne jest regenerowane przy wykorzystani źródła ciepła o temperatrze z zakres C. W trakcie badań stwierdzono, że cłodziarka może być zasilana wodą regenerjącą złoża adsorberów o temperatrze z przedział C. Współczynnik efektywności (COP) cłodziarki dla temperatry regeneracji złoża wynoszącej 50 C wynosił 0,36, dla temperatry 65 C osiągał maksimm równe 0,42 i nieznacznie spadał dla temperatry 70 C, osiągając wartość 0,41. Minimalna temperatra złoża przy której stwierdzono śladowy efekt cłodniczy wynosiła 45 C. Dotycczas przeprowadzone badania potwierdziły więc tecniczną możliwość wykorzystania ciepła sieciowego o temperatrze 65 o C do wytwarzania cłod na potrzeby klimatyzacji.

9 W pobliż węzłów cieplnyc mogłyby być lokalizowane cłodziarki adsorpcyjne wykorzystywane jako klimatyzatory i wykorzystjące jako energię napędową ciepło sieciowe. Obecnie przeszkodą takic rozwiązań są dże gabaryty rządzeń i związane z tym koszty inwestycyjne. Prowadzone badania mają na cel optymalizację konstrkcji cłodziarek adsorpcyjnyc. Nie należy natomiast spodziewać się istotnego wzrost efektywności cłodziarek ponad obserwowane obecnie wartości. Wynika to z obniżenia temperatry górnego źródła ciepła w stosnk do agregatów absorpcyjnyc, któryc współczynniki efektywności są rzęd 0,8 - por. zależności 2,3. Istotne jest, że maksimm COP jest osiągane przy temperatrze 65 o C, co odpowiada temperatrze ciepła sieciowego. Spadek efektywności cłodziarki adsorpcyjnej przy podwyższani temperatry wody regenerjącej adsorbery wynika ze złyc warnków wymiany ciepła w złoż spowodowanej niskim przewodnictwem cieplnym silikażel. Wnioski rigeneracja możliwiająca równoczesne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i cłod wydaje się być bardzo atrakcyjnym rozwinięciem systemów kogeneracyjnyc. Jest tak rzeczywiście, kiedy ciepło generowane w kogeneracji ma temperatrę nie niższą niż 85 o C, co możliwia jego wykorzystanie jako energii napędowej w dostępnyc komercyjnie agregatac absorpcyjnyc wykorzystjącyc roztwór woda - bromek lit. Współczynniki efektywności termodynamicznej procesów konwersji energii w systemac trigeneracyjnyc są rzęd 0,3-0,4 dla trbin i silników gazowyc oraz 0,8 dla agregatów absorpcyjnyc. Ze względ na wysokie koszty inwestycyjne systemów trigeneracyjnyc i relatywnie niskie efektowności termodynamiczne procesów konwersji energii konieczne jest zapewnienie zbyt na ciepło i/lb cłód bez sezonowyc przerw. W zasadzie nie powinno się projektować systemów trigeneracyjnyc przy obiektac, które nie gwarantją stałego odbior ciepła lb cłod niezależnie od warnków pogodowyc. Obiektami, które gwarantją stały odbiór cłod i odpowiadają tecniczno-ekonomicznym wymogom trigeneracji są na przykład serwerownie i głębokie kopalnie o wysokiej temperatrze górotwor na poziomac wydobycia robk. W Polsce takimi kopalniami są kopalnie miedzi KGHM. Z powod zbyt niskiej temperatry ciepła sieciowego wynoszącej około 65oC, nie może być ono wykorzystane w systemac trigeneracyjnyc wyposażonyc w agregaty absorpcyjne. ecnologią możliwiającą konwersję ciepła sieciowego na cłód są cłodziarki adsorpcyjne ze złożami wypełnionymi silikażelami. Prowadzone obecnie badania prototypowyc cłodziarek, w któryc adsorpcja zacodzi przy temperatrac 8 i 15oC wykazały, że mogą być one napędzane ciepłem o temperatrze 60-65oC przy współczynnik efektywności termodynamicznej rzęd 0,4. Wykorzystanie adsorpcji możliwi bdowę rozproszonyc systemów trigeneracyjnyc, w któryc cłodziarki będą lokalizowane w pobliż węzłów cieplnyc i zasilane ciepłem sieciowym. Należy spodziewać się komercjalizacji takic systemów w ciąg kilk najbliższyc lat.