Mała Energetyka Węglowa czyli polska narodowa specjalizacja technologiczna

Transkrypt

1 Mała Energetyka Węglowa czyli polska narodowa specjalizacja technologiczna D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku Ł. Gojke

2 Cel specjalizacji Opracowanie technologii i wdrożenie urządzeń do produkcji prądu elektrycznego i ciepła w małej skali Mała energetyka węglowa tysiące wytwórców energii elektrycznej w Polsce Zainteresowanie społeczeństwa zagadnieniami produkcji prądu Polska marka małe instalacje do kogeneracji prądu elektrycznego i ciepła Mała energetyka węglowa oparta o węgiel i biomasę polską specjalizacją w skali międzynarodowej Dostarczenie zaawansowanego technologicznie towaru eksportowego przeznaczonego na rynki na całym świecie Produkt bardziej pożądany niż samochód Miliony obiorców na całym świecie D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 2

3 Duża energetyka Podstawowe cechy

4 Czas budowy dużych elektrowni Elektrownia Informacja Planowane uruchomienie Ostrołęka Ostrołęka ?? Jądrowa Jądrowa D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 4

5 Duża energetyka krótka charakterystyka Cykl budowy dużych elektrowni (pozwolenia, projekt, budowa, uruchomienie): lata Koszt budowy: ok. 6 tys. zł/kw e Całkowity koszt elektrociepłowni o mocy 75 MW e ok. 500 mln zł (EC Zofiówka) Koszt budowy elektrowni w Opolu ( blok 5 i 6, 1800 MW e ) ok. 11,6 mld zł Inwestorzy: kilku (wielkie koncerny i konsorcja) Usytuowanie: koncentracja na południu węgiel kamienny (Śląsk i lubelskie), centrum i pd.-zachód ( węgiel brunatny) 5 D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność

6 kj energii chemicznej/kwh energii elektrycznej Historia i tendencje w dużej energetyce Efektywność produkcji prądu w USA z węgla węglowe gazowe Parametr Było Wchodzi ciśnienie, bar Temperatura, C Sprawność,% Rok Efektywność produkcji prądu bez zmian przez 50 lat Bardzo wysokie parametry termodynamiczne Drogie materiały Cechy dużej energetyki mała elastyczność, konserwatyzm D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 6

7 Mała energetyka węglowa / cieplna Potencjał

8 Dlaczego mała energetyka cieplna może być polską specjalnością? Dostępne paliwa (węgiel i biomasa) Niskie ceny paliw Długoletnia tradycja projektowania i badania turbin, silników, wymienników ciepła Specjaliści w dziedzinie energetyki: termodynamicy mechanicy płynów i ciała stałego elektrycy i elektronicy Baza produkcyjna małe i średnie firmy mechaniczne małe i średnie firmy elektryczne Nabywcy (tysiące) kotłownie ciepłownie duże gospodarstwa rolne małe firmy produkcyjne, usługowe przedsiębiorstwa przemysłu drzewnego, tartaki D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 8

9 Paliwa i ich ceny - porównanie Drogie paliwa Tanie paliwa Ceny paliw konwencjonalnych: - Propan-butan 110 zł/gj - Gaz ziemny 60 zł/gj - Olej opałowy 50 zł/gj Cena paliwa alternatywnego - Węgiel kamienny 25 zł /GJ - Drewno 20 zł/gj - Słoma 10 zł/gj - Obornik 0zł/GJ Energia elektryczna 150 zł/gj - Odpady komunalne * +20 zł/gj D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 9

10 Co oprócz węgla? Geografia i zasoby paliw odnawialnych Słoma zbóż i rzepaku 5 mln t. Łodygi kukurydzy min. 3 mln t. Obornik kurzy 2 mln t. Biomasa leśna, rolna i obornik mln ton Odpady komunalne RDF ok. 2 mln ton Paliwa dostępne w całej Polsce Drewno ok. 5 mln t. D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 10

11 Pozycja wyjściowa czyli czym dysponujemy

12 Posiadane doświadczenie Zrealizowano duże projekty badawcze i inwestycyjne (łączna wartość kilkaset mln zł) Badania w różnych ośrodkach w Polsce (m.in. IMP PAN, IEn, IChPW, PCz, PŁ, PG, AGH, PŚl, PWr, PW,..) Własne projekty Polskie firmy produkcyjne Rozruch własnymi siłami Kilkanaście różnych instalacji, moc od 2,5 kw e do kilkuset kw e Twórcy 30-latkowie Przykłady z IMP PAN w Gdańsku: D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 12

13 Domowa elektrociepłownia Rozwiązanie chronione wzorem użytkowym! Dane techniczne: Wymiary 160x74x74(175) cm Moc cieplna: 25 kw Moc elektryczna: 2,5 kw Napięcie wyj.: 230V AC 50Hz Paliwo: biomasa (pelet) D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 13

14 Zbudowane instalacje i urządzenia Moc elektryczna: 2,5 kw Prędkość obr.: obr./min Masa własna: 20 kg Mikroturbina moc elektryczna: 30 kw Prędkość obr.: obr./min Masa własna: 125 kg Układ kogeneracyjny ze zgazowarką o mocy cieplnej 180kWc, wartość opałowa syngazu MJ/Nm 3 D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 14

15 SIŁOWNIA ORC 100 kw w IMP PAN - MODEL PROFESJONALNEJ SIŁOWNI BIOMASOWEJ Kocioł podgrzewający olej termalny źródło ciepła układu ORC Układ ORC na Hali A Obieg oleju termalnego Therminol66: -pętla wysokotemperaturowa 310 o C/250 o C Obieg czynnika roboczego MDM -turbina od 12 bar/285 o C do 0.17 bar/230 o C -rekuperator para czynnika 230/120 o C, ciecz 90/190 o C - parownik o C - kondensator - 90 o C - woda ciepła - 85 o C/65 o C, Fotografia układu strumienicowego produkcji chłodu

16 Turbogeneratory ORC - 100KWe Innowacyjność turbogenerator klasyczny, hybrydowe łożyska smarowane olejem, turbina osiowa wielostopniowa, obr/min częściowe zasilanie turbogenerator hermetyczny, hybrydowe łożyska smarowane czynnikiem, magnetyczne łożysko oporowe turbina promieniowa obr/min turbina osiowa wielostopniowa turbina promieniowa jednostopniowa

17 Studium modernizacji obiektów ciepłowniczych na przykładzie kompleksu w Żychlinie (program strategiczny NCBiR) Zastosowania: - Energetyka rozproszona na źródłach biomasy, - Wykorzystanie ciepła odpadowego Instalacja układu ORC opalanego biomasą (1.2MWc, 0.24MWe) Instalacja układu kogeneracyjnego zasilanego gazem ziemnym z dwoma silnikami spalinowymi SSG (3.75MWc, 4MWe) Instalacja układu biomasowego parowego kogeneracyjnego TUK (5.2MWth, 2.7 MWe) Deinstalacja 2 kotłów węglowych i modernizacja 2 pozostałych kotłów węglowych (10MWc, 5MWc) Schemat rozbudowy ciepłowni Żychlin ŻYCHLIN I UKŁAD ORC ŻYCHLIN II UKŁAD PAROWY Granice stosowalności układów typu ORC i pracujących na parze wodnej Uporządkowany wykres mocy grzewczej

18 Instalacje większej skali Żychlin razem z Energą SA Nowy Dwór razem z Zakładem Zagospodarowania Odpadów Instalacja układu ORC opalanego biomasą (1.2MWc, 0.24MWe) Instalacja zgazowanie odpadów na wysypisku śmieci, moc 400kW c D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 18

19 Podsumowanie stan i aktywa Prace trwają ponad 10 lat Wydatkowano ok. 300 mln złotych/ dużo nawet jak dla bogatych krajów Projekty finansowane z budżetu państwa, firm, UE, lokalne, agencji Dobrze wyposażone laboratoria Powstały zespoły badawcze Zespoły dysponują doświadczeniem Powstały własne konstrukcje D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 19

20 Aktualna sytuacja czyli dlaczego nie idzie

21 Kilka faktów Duże projekty zakończone w 2014 i 2015 roku Kontakty z przedsiębiorcami parę na miesiąc Duże firmy energetyczne PGE, Energa, Tauron, Przedsiębiorstwa mikro Małe firmy ( producenci, sprzedawcy) Firmy inwestycyjne Efekty: prawie zero D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 21

22 Kim są potencjalni inwestorzy, gdzie są współcześni Wokulscy? Sprzedawcy węgla, konstruktorzy kotłów na słomę, wynalazcy, Kontakt nauka-inwestor przypadkowy Brak bazy danych dotyczących innowacji Przedmiotowe traktowanie nauki (niech mi pan to wszystko napisze..) Instytucje naukowe pełnią role akwizytora Duże firmy nie interesują się małą skalą, choć mają dobrych specjalistów D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 22

23 Dlaczego nie? Firmy w Polsce mają mały potencjał rozwoju innowacyjności (?) Przekonanie inwestorów, że małe instalacje będą drogie Brakuje przejścia z etapu prototypu do produkcji seryjnej Firmy chcą tanio kupić prototyp a nie sprzedawać gotowy produkt Na razie niska sprawność instalacji Niskie ceny energii dla producenta Problemy prawne producenta energii Mała wymiana informacji pomiędzy biznesem i nauką Dosyć często (nie zawsze) pracownicy, właściciele małych firm mają niewielką wiedzę techniczną D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 23

24 Jak to jest gdzie indziej? Parę przykładów i pytań

25 Na świecie współpraca nauka - biznes Breakthrough Energy Coalition Przedsięwzięcie poświęcone rozwojowi nowych technologii energetycznych, miks energetyczny Udziałowcy Jeff Bezos, Founder and CEO, St. Zjednoczone Richard Branson Founder, Virgin Group, Wlk. Brytania Bill Gates, Co-chair, Bill & Melinda Gates Foundation Jack Ma, Executive Chairman, Alibaba Group, Chiny Lightsail Energy firma inwestujące w technologie sprężonego powietrza Założyciele naukowcy Inwestorzy Bill Gates Peter Thiel Załozyciele innowacyjnych firm z branży energetycznej Turbden prof. Mario Gaia Triogen prof. Jos P. van Buijtenen - gas Turbines Udziałowcy mają świadomość wysokiego ryzyka D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 25

26 W Polsce nauka - biznes W co inwestuje Polski biznes? Czy Polsce są naukowcy którzy przechodzą do biznesu w energetyce? Czy w Polsce są startupy w dziedzinie energetyki? Ile pieniędzy potrzeba na startup w informatyce? Ile pieniędzy potrzeba na startup w energetyce? D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 26

27 Czego szukamy? Strategii państwa w małej energetyce cieplnej/węglowej, czyli działania na lata Partnerów z biznesu Zasobnych (za 100 tys. zł nie powstanie technologia) Wytrwałych (działania muszą potrwać co najmniej kilka miesięcy) Kompetentnych (potrzebna jest wiedza na temat energetyki, tak sama jak w przypadku handlu nieruchmościami, Miejsca i sposobów kontaktu z odpowiednimi firmami Ogólnopolska baza danych dotyczących energetyki D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 27

28 Proponowane działania Na najbliższe miesiące

29 Małoskalowa energetyka cieplna wybór najlepszych technologii Silniki tłokowe zasilane biogazem lub syngazem Turbiny gazowe zasilane biogazem lub syngazem Turbiny powietrzne z zewnętrzną komorą spalania Elektrociepłownie typu ORC Układy kombinowane małej mocy D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 29

30 Silniki tłokowe zasilane syngazem Wysoka sprawność wytwarzania energii elektrycznej (nawet do ok. 40%) Niskie koszty inwestycyjne Mniej trwałe od turbin gazowych (bardziej skomplikowany mechanizm) Ciepło odpadowe: ok. 50% - spaliny, ok. 50% chłodzenie silnika oraz układ smarowania Zasadniczy problem oczyszczanie syngazu D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 30

31 Turbiny gazowe zasilane syngazem Niższa sprawność wytwarzania energii elektrycznej (max. ok. 33%) Wysokie koszty inwestycyjne (mniej popularne rozwiązanie od silników tłokowych) Stosunkowo nowa technologia (małe, kogeneracyjne turbiny gazowe są rozwijane od lat dziewięćdziesiątych) Z zasady maszyny te są trwałe ze względu na mniejsze skomplikowanie konstrukcji (tylko jedna ruchoma część) Ciepło odpadowe ulokowane jest w ok. 90% w spalinach D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 31

32 Elektrociepłownie typu ORC Elektrociepłownie parowe typu ORC są stosunkowo nową technologią Niższa sprawność wytwarzania energii elektrycznej w stosunku do układów parowych, ale mnogość potencjalnych czynników roboczych zwiększa elastyczność Możliwość pracy przy niskich temperaturach źródła ciepła Możliwe źródła ciepła: spalanie biomasy stałej, ciepło odpadowe o zróżnicowanej temperaturze Możliwość zastosowania w małych układach (nawet kilka kw) D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 32

33 Turbina powietrzna zewnętrzna komora spalania Spalanie każdego paliwa Niskie ciśnienia (bardzo dobra cecha) Wysokie temperatury Zasadniczy problem: wysokotemperaturowy wymiennik ciepła Możliwość łączenia z turbinami parowymi bardzo wysokie sprawności D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 33

34 Jak stworzyć polską specjalność Działania na dwa lata

35 Sposoby realizacji celu mała energetyka polska specjalizacja Ogólnie - programy badawcze ukierunkowane na wybrane technologie energetyczne w zakresie małych mocy Raport na temat stanu zaawansowania technologii i instalacji do produkcji prądu elektrycznego i ciepła w małej skali (3 miesiące) Alternatywnie konkurs/zamówienie na wybrane technologie kogeneracji (najbardziej obiecujące) Produkcja kompletnych instalacji Ocena uzyskanych wyników. Porównanie różnych rozwiązań. Wybór instalacji do realizacji Opracowanie dokumentacji patentowej i zgłoszenie patentowe. Uruchomienie produkcji seryjnej najlepszych rozwiązań. Zamówienie i zakup np. 10 instalacji. Montaż w wybranych przedsiębiorstwach. Prowadzenie akcji promocyjnej w kraju i za granicą Uruchomienie i wdrożenie instalacji, które będą gotowe do użytku codziennego i sprzedaży. D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 35

36 Wyścigi małych turbin Konkurs na najbardziej sprawne instalacje produkcji prądu i ciepła w małej skali Wersja konkurs otwarty/ konkurs zamknięty Nagrody np. dla 3 najlepszych/najbardziej sprawnych instalacji Rekordy Polski małych turbin Zakończenie konkursu np. na 100 lecie odzyskania niepodległości ( zostało 2,5 roku) D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 36

37 Działania dodatkowe, uwagi Ministerstwo Energii Wykreowanie rynku dla technologii kwestia cen, dopłat Współpraca z Min. Rolnictwa ( odbiorcy) Reklama małej energetyki na politechnikach Rynki zagraniczne Afryka ( potrzebne proste urządzenia), kraje byłego ZSRS ( b. duże zasoby biomasy) D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 37

38 Gdzie eksportować, czyli ludność i produkcja prądu D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 38

39 Cel specjalizacji przypomnienie Opracowanie technologii i wdrożenie urządzeń do produkcji prądu elektrycznego i ciepła w małej skali Mała energetyka węglowa tysiące wytwórców energii elektrycznej w Polsce Zainteresowanie społeczeństwa zagadnieniami produkcji prądu Polska marka małe instalacje do kogeneracji prądu elektrycznego i ciepła Mała energetyka cieplna oparta o węgiel i biomasę polską specjalizacją w skali międzynarodowej Dostarczenie zaawansowanego technologicznie towaru eksportowego przeznaczonego na rynki na całym świecie D. Kardaś, P. Lampart, P. Klonowicz - mała energetyka węglowa polska narodowa specjalność 39

40 Dziękujemy za uwagę