NOWE TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ. DUŻE BLOKI CZY GENERACJA ROZPROSZONA

Transkrypt

1 Technologie Energetyki Rozproszonej niskoemisyjne siłownie domowe w kontekście Pakietu Zimowego NOWE TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ. DUŻE BLOKI CZY GENERACJA ROZPROSZONA Tadeusz Chmielniak Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechnika Śląska IMP PAN Gdańsk 1

2 ZAŁOŻENIA Pozostają stabilne założenia polityki energetycznej UE (ustalenia klimatyczne, wymogi emisyjne, efektywność energetyczna, rozwój energetyki źródeł odnawialnych) Podtrzymana będzie rola węgla w polskiej energetyce, W grze pozostaje energetyka jądrowa, Nastąpi racjonalny rozwój energetyki źródeł odnawialnych w Polsce, Bez istotniejszych opóźnień kontynuowane będą rozpoczęte inwestycje energetyczne dużych mocy. 2

3 Zapotrzebowanie brutto na moc JWCD [GW], wykres uporządkowany Optymistyczne prognozy zapotrzebowania na energię i moc CAGR ok. 2% Rok klimatyczny 2015 Brak wymiany transgranicznej Zdeterminowany scenariusz rozwoju poszczególnych rodzajów njwcd, m.in. [MW]: Symulacje założenia Biomasa i Biogaz Wiatr(ląd i morze) PV Na podstawie: Maciej Przybylski : Zapotrzebowanie na moc i potrzeby regulacyjne KSE Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r. 3

4 STAN OBECNY. Moc w systemie Sytuacja w zakresie inwestycji wskazuje, że w lata dwudzieste wejdziemy z następującymi blokami dużej mocy: 5(6) bloków na węgiel klasy MW 3 bloki na węgiel klasy bloków na gaz klasy 500 Główne pytanie: W jakim kierunku potoczą się dalsze inwestycje? - struktura paliwowa (węgiel, gaz, paliwa jądrowe, źródła odnawialne) - zróżnicowanie technologiczne ( w zakresie wytwarzania, przesyłu, zarządzania popytem i inne) Odpowiedź na pytanie byłaby prostsza gdyby rozwiązano zadanie dotyczące optymalizacji miksu paliwowego. Zadanie trudne do rozwiązania. 4

5 TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY Należy rozpatrywać następujące technologie produkcji elektryczności : Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i fluidalne) bez wychwytu dwutlenku węgla Układy kombinowane węglowo gazowe, czy węglowo - biomasowe Układy gazowo parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla W dalszej perspektywie Instalacje węglowe ze spalaniem tlenowym Ultra-nadkrytyczne bloki z kotłami pyłowymi (bloki 50+) Stan technologii Wysoka dojrzałość Technologiczna. Duży stopień upowszechnienia Wysoka dojrzałość technologiczna. Niewielki stopień upowszechnienia Dobry stopień dojrzałości technologicznej. Mały stopień upowszechnienia Potencjalna możliwość wykorzystania w procesie inwestycyjnym Instalacje demonstracyjne + - Wysoki stopień analiz systemowych. Sprawdzone materiały. Brak instalacji demonstracyjnych Instalacje węglowe ze spalaniem Opracowane koncepcje powietrznym (kotły pyłowe i wychwytu. Instalacje fluidalne) z wychwytem dwutlenku pilotowe separacji CO2. Brak węgla instalacji dem. dużych mocy

6 Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i fluidalne) bez wychwytu dwutlenku węgla Jednostki nadkrytyczne klasy MW Moc brutto 1075 MW Sprawność netto 45.6% Paliwo: węgiel kamienny Parametry pary PŚ: 603 C/25,0 MPa PP: 621 C/5,5 MPa Moc brutto 910 MW Sprawność netto 45.9% Paliwo: węgiel kamienny Parametry pary PŚ: 600 C/27.5 MPa PP: 610 C/5,8 MPa Moc brutto 447,5 MW Spełnia standardy emisyjne BREF: (SO2 75 mg/m3, NOx 85 mg/m3, Pył 5 mg/m3) Sprawność netto 43,1% Paliwo: węgiel brunatny Parametry pary: PŚ: 605 C / 28,6 MPa PP: 615 C / 5,9 MPa 6

7 Duoblok. Podstawowe parametry techniczne DUOBLOK+ 500 KOCIOŁ TURBINA Parametry para / woda Para pierwotna "świeża" bar(a) C t/h Para wtórna z kotła -"gorąca szyna" bar(a) C t/h Temperatura wody zasilającej C 300 Na podstawie: Łukasz Grela, Wojciech Zygmański, Marian Żmija: DUOBLOK 500 jako rozwiązanie dla rekonstrukcji bloków 200 MW. Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO. Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r. 7

8 Sprawność [%] Duobloki c.d. Nowa planowana inwestycja to duoblok BoA plus o sprawności 45 % (z podsuszaniem węgla brunatnego) Blok 50+ WK, WB WK WB WB(SW) WK od 2015 po 2020 Blok BoA plus ma być blokiem kogeneracyjnym, współspalającym biomasę i w wersji CCS ready, z hybrydowymi chłodniami kominowymi dla ograniczenia parowania do otoczenia Na podstawie Prof. dr hab. inż. Maciej Pawlik : Priorytety inwestycyjne krajowego parku elektrowni IV Konferencja Techniczna Realizacja Bloków na Parametry Nadkrytyczne listopada 2016 Kazimierz Dolny - Elektrownia Kozienice 8

9 . Opracowanie projektów koncepcyjnych bloków nadkrytycznych (wyniki RAFAKO S.A. w PS Zaawansowane technologie pozyskiwania energii, zad.1)) NOWE PROPOZYCJE Temperatura pary pierwotnej C Temperatura pary wtórnej C Ciśnienie pary pierwotnej bar SCR - emisja NOx mg/mn3 przy CCS - 30 mg/mn3 IOS - emisja SO2-100 mg/mn3 przy CCS - 25 mg/mn3 Stężenie pyłu za elektrofiltrem - 30 mg/mn3 przy CCS - 10 mg/mn3 Stężenie pyłu za IOS - 10 mg/mn3 przy CCS - 5 mg/mn3 Stężenie CO <100 mg/mn3 Źródło Wyniki PBS-1 9

10 TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY. Inne Struktury technologiczne Szeregowe i równoległe układy kombinowane węglowo - gazowe Zakres mocy: Średnie i duże moce (800,1000)MW Części węglowe bloków są konstruowane na parametry zarówno podkrytyczne (Werne 190 bar/ 535 C / 535 C)-układ szeregowy jak i na nadkrytyczne (Avedore: 300 bar/ 580 C /600 C - uklad równoległy 10

11 ENERGETYKA GAZOWA Turbiny Gazowe Dużej Mocy Źródła: 1.A.Maekawa, Evolution and Future Trend of Large Frame Gas Turbine for Power Generation, J. of Power and Energy Systems, Vol.5 No2, 2011 ; 2. T.Chmielniak, Turbiny gazowe. Kierunki rozwoju, [w Strategie rozwojowe w zakresie Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Eds. T.Chmielniak, M. Strozik, Gliwice 2009]

12 UKŁADY GAZOWO-PAROWE Stalowa Wola: 460 MW Płock 596 MW Włocławek: 460 MW Gorzów 140 MW Toruń: 100 MW Puławy: 450 MW? Łagisza: 450 MW?

13 GENERACJA ROZPROSZONA

14 TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE. Biomasa Kolektor gazu Składowisko odpadów S F WC4 ~500 O C TS GAZ Odwierty z wstępnym układem filtracyjnym Powietrze WC3 WC1 SILNIK Odprowadzenie ścieków WC2 OC Różny stopień dojrzałości do wdrożenia poszczególnych technologii 14

15 Cena jednostkowa, USD/kW TURBINY GAZOWE MAŁEJ MOCY Układy autonomiczneobciążenia szczytowe Układy gazowo- parowe malej mocy Układy kombinowane małej i średniej mocy Układy ze spalaniem zewnętrznym biomasy Układy zintegrowane ze zgazowaniem biomasy Układy elektrociepłowni z regeneracją Układy gazowopowietrzne Poszczególne turbiny gazowe (od lewej) wg GT Handbook VPS1, 2-ST6L-813, 3-Saturn 20, 4-M1A-13D, 5-KG2-3E, 6-ST18A, 7-OGT2500, 8-UGT2500, 9-M1T-13D, 10-VPS3, 11-Centaur 40, 12-VPS4, KB5, 14-ST40, 15-GT40000SI, 16-GTES-4, 17-Centaur 50, 18-Mercury 50, KB7S, 20-SGT-100, 21-M7A-01, 22-Taurus 60, 23- THM1203A, 24-GTES-6, 25-Taurus 65, 26-CX501 KH5, 27-UGT 6000, KH5, 29-GT 6000, 30-M7A-02D, 31-SGT-200, 32-M7A-03D, 33- Taurus 70, 34-SGT-300, 35-UGT 8000, 36-THM , 37-Mars 100, 38-THM , 39-GE10-1, 40-THM , 41-GTES-12, 42- THM , 43-SGT-400, 44-PGT16, 45-LM1600-PA, 46-MF-111, 47-Titan 130, 48-UGT 16000, 49-GTES-16, 50-UGT 15000, 51-SGT-500, 52- PGT20, 53-L20A, 54-LM2000PJ, 55-LM2000PS, 56-LM2500PJ, 57-LM25000PE, 58-SGT-600, 59-FT8 PowerPac, 60-GT25000, 61-UGT 25000, 62-PG5371(PA), 63-RB211-G62 DLE, 64-LM2500 PH STIG, 65-FT8-3 PowerPac, 66-SGT-700, 67-LM2500PK, 68-RB211-GT62 DLE, 69- LM2500PR, 70-MF-221, 71-LM2500PR, 72-FT8-3 PowerPac, 73-LM2500PK, 74-H-25, 75-RB211-GT61 DLE, 76-LM2500+RD, 77-LM2500+RC, 78-PG6581(B) Gas Turbine World 2009 GTW Handdbook kj= 4263,3Nel-0,233 R² = 0,9656 Gas Turbine World 2009 GTW Handdbook - CEPCI kj= 5005,9Nel-0,233 R² = 0,9656 Literatura - CEPCI kj= 4444,7Nel-0,222 R² = 0, Moc turbin, kw Racjonalizacja energetyki przemysłowej Modernizacji instalacji produkcji elektryczności i ciepła Jednostki o zwiększonej elastyczności cieplnej 15

16 ENERGETYKA WODOROWA. Jej funkcje i znaczenie Na podstawie : Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA

17 WIELOŚĆ FUNKCJI. STABILIZACJA SYSTEMU 17

18 EFEKTYWNOŚĆ. GENERACJA ROZPROSZONA 18

19 Liczba instalacji, tys. OGNIWA PALIWOWE Inst. przenośne Transport Inst. stacjonarne Czas, rok Nie wykluczając w pewnych sytuacjach wykorzystania turbin gazowych jako silników do napędu generatorów elektryczności, największe nadzieję wiąże się z ogniwami paliwowymi zarówno do zastosowań stacjonarnych jak i mobilnych. Współczesny stan rozwoju technologicznego ogniw paliwowych wskazuje zarówno na ich zastosowanie do budowy stacjonarnych instalacji generacji energii elektrycznej i ciepła (głównie ogniw: PAFC, PEFC, MCFC i SOFC) jak i zastosowanie w rozwiązaniach napędowych (głównie osobowy i ciężarowy transport samochodowy). W pierwszym obszarze rozpatruje się zastosowanie ogniw do budowy instalacji generacji rozproszonej (autonomiczne jednostki niskiej mocy w sieci niskich napięć, układy rezerwacji mocy, układy kogeneracyjne w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej). W drugim obszarze zastosowań dominują zastosowania w samochodach osobowych. Według Departamentu Energii USA globalny rynek ogniw paliwowych wzrósł niemal czterokrotnie między 2008 a 2013 [2]. Tylko w 2013 przyrost zainstalowanej mocy ogniw paliwowych wynosił ponad 170 MW [1,2]. Obecnie, ponad 80% instalacji ogniw paliwowych to jednostki stacjonarne. Na podstawie : 1. Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA 2015, 2. Fuel Cell Technologies Market Report, DOE 2014a 19

20 . Należy w tym miejscu wskazać na istotną rolę w upowszechnianiu technologii ogniw paliwowych w energetyce japońskiego programu Ene Farm rozwoju instalacji mikrokogeneracyjnych z ogniwami polimerowymi i tlenkowymi o mocy elektrycznej kw. Program rozpoczęto w 2009 r. Od chwili uruchomienia programu sprzedano ponad (2014) jednostek. Program przewiduje wprowadzenie na rynek do 2030r. milion instalacji. Początkowe dofinansowanie wynosiło USD na jedną instalację (o koszcie całkowitym USD). W 2014 dofinansowanie państwa zmniejszono do USD ( koszt jednostkowy USD). OGNIWA PALIWOWE c.d. Technologia Moc Sprawność Początkowe nakłady inwestycyjne Alkaliczne ogniwa paliwowe Polimerowe ogniwa stacjonarne Ogniwa tlenkowe Ogniwa fosforanowe Ogniwa węglanowe Do 250 kw kw Do 200 kw Do 11 MW kwszeregu MW Około 50%(HHV) 32-49%(HHV) 50-70%(HHV) 30-40%(HHV) Ponad 60%(HHV) USD/kW USD/kW USD/kW USD/kW USD/kW Żywotność( trwałość) Stan rozwoju technologii 5-8 tys. h Wstępne stadium rynkowe 60 tys. h Wstępne stadium rynkowe Do 90 tys. h Instalacje demonstracyjne tys. h Dojrzały do wdrożenia tys. h Wstępne stadium rynkowe Dominują instalacje z ogniwami polimerowymi. Ze względu na fakt, że w strukturze kosztów instalacji kogeneracyjnej małej mocy nakłady na ogniwo paliwowe są rzędu jedynie 15%, nie należy oczekiwać dalszego istotniejszego obniżenia cen instalacji kogeneracyjnych. Obecny stan rozwoju ogniw do energetycznych zastosowań stacjonarnych ilustruje tablica. Wynika z niej, że najdojrzalsze konstrukcyjnie są ogniwa fosforowe (PAFC). Mają one jednak stosunkowo niski potencjał wzrostu sprawności i obniżenia kosztów inwestycyjnych. Jak już stwierdzono w rozwiązaniach mobilnych największy potencjał mają ogniwa polimerowe 20

21 ENERGETYKA ŹRÓDEŁ ODNAWIALNYCH TECHNOLOGIA ELEKTRYCZNOŚĆ CIEPŁO i CHŁÓD El. Wiatrowe On shore El. Wodne Off shore Małe(<10MW) TRANSPORT UWAGI Elektrownie wiatrowe Ogniwa fotowoltaiczne Biomasa Konwersja energii słonecznej El Morskie Duże(>10MW) El. Fotowoltaiczne El. Termiczne( farmowe i wieżowe) Wykorzystanie: Fal morskich Kolektory Doskonalenie technologii Rola w systemie Funkcje akumulacyjne Konwersja energii geotermalnej Pływów morskich Termiczne(gradient temperatury) Zjawisko osmozy Siłownie cieplne konw. Obiegi ORC i Kaliny Inne Energia gruntu + pompy ciepła, Konwersja bezpośrednia Konwersja biomasy i odpadów Siłownie cieplne Układy zintegrowane ze zgazowaniem termicznym i biologicznym Ciepłownie, kogeneracja Bioetanol, Biodiesel, Biogaz +

22 WNIOSKI Nie ma obecnie zasadniczych sprzeczności miedzy poszczególnymi technologiami, w tym sensie, że możliwe jest wykorzystanie ich charakterystyk w budowie racjonalnej struktury paliwowej systemu elektroenergetycznego. Wzrastający udział wytwarzania losowego (źródła o małej gęstości energetycznej) zwiększa wymagania w stosunku do źródeł o dużej gęstości ( energetyka paliw kopalnych) - elastyczność cieplna, ekonomia zmiennego obciążenia; Głównym zadaniem pozostaje poszukiwanie optymalnego miksu paliwowego i technologicznego. Zadanie wobec dużej dynamiki zmian technologicznych nie jest proste do rozwiązania. Do rozstrzygnięcia jest np. rola energetyki gazowej i jądrowej; W procesie odbudowy mocy ważna rolę powinny odegrać bloki węglowe o różnej strukturze technologicznej i różnej mocy. Należy także w procesie modernizacji i odbudowy mocy rozpatrywać układy kombinowane wielopaliwowe; Ważnym problemem pozostaje rozstrzygnięcie między skalą procesów modernizacyjnych a zakresem inwestycji w nowe moce; 22

23 WNIOSKI Istnieje wiele technologii umożliwiających rozwój źródeł rozproszonych, w tym wykorzystujących paliwa węglowodorowe. Nowego znaczenia nabiera energetyka wodorowa. Nowe możliwości wynikają głownie z faktu wytwarzania wodoru z wykorzystaniem nadmiarowej energii odnawialnej, jej funkcji magazynowej oraz istotnego potencjału zastosowań ogniw w transporcie, co znacznie zmniejsza koszty ogniw. Racjonalne przyspieszenia transformacji systemu energetycznego wymaga ciągłego poszerzenia wiedzy w społeczeństwie. Tylko w ten sposób można uniknąć powstania wrogości wobec jednej klasy technologii i przecenienia roli innych. Jest to zadanie kierowane nie tylko do całego systemu edukacji ale także polityków i działaczy gospodarczych. 23

24 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 24