IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ

Transkrypt

1 IV. PREFEROWANE TECHNOLOGIE GENERACJI ROZPROSZONEJ 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 MW) 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

2 - 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 energii elektrycznej, ale większe straty ciepła - 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

3 Podstawowe ograniczenie stosowania kogeneracji: konieczność występowania jednoczesnego zapotrzebowania na ciepło grzejne i energię elektryczną 1.2. Układy z turbiną gazową lub tłokowym silnikiem spalinowym 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

4 Źródła ciepła z silnika: układ chłodzenia płaszcza wodnego układ chłodzenia miski olejowej ciepło z tych źródeł odprowadzane jest w postaci gorącej wody o temperaturze C 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 C dalszy odzysk ciepła moŝliwy przy wykorzystaniu wymienników kondensacyjnych (ciepło niskotemperaturowe) Uwaga: wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa dla całego układu wynosi ok. 60% Źródło ciepła z turbiny gazowej: spaliny temperatura spalin za turbiną gazową wynosi C, 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

5 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 Układ kombinowany (zintegrowany układ gazowo-parowy): (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

6 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 w generatorze napędzanym przez silnik źródło ciepła spaliny moc elektryczna: kw małe rozmiary szeroka gama paliw: gaz ziemny, biogaz, benzyna, olej napędowy sprawność ogólna (z odzyskiem ciepła) >85%, niska sprawność elektryczna % 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

7 Rys.IV.3. Schemat silnika Stirlinga [1] małe rozmiary (urządzenia przenośne lub stacjonarne) cicha praca (mała ilość części ruchomych, spalanie ciągłe) moŝliwość stosowania w budynkach mieszkalnych spalanie zewnętrzne, a więc moŝliwość stosowania szerokiej gamy paliw lub odnawialnych źródeł energii i ciepła odpadowego wysokie koszty i problemy z niezawodnością 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

8 Rys.IV.4. Reakcje elektrochemiczne zachodzące w ogniwach paliwowych [10] Rys.IV.5. Ogniwo paliwowe [10] 8

9 Klasyfikacja ogniw ze względu na rodzaj elektrolitu (z rodzajem elektrolitu wiąŝą się temperatury, w których zachodzą reakcje): ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym (PEFC); temperatura pracy: 80 0 C ogniwa paliwowe z elektrolitem alkalicznym (AFC); temperatura pracy: C ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci kwasu fosforowego (PAFC); temperatura pracy: C ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci ciekłych węglanów litu i potasu (MCFC); temperatura pracy: C ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci stałej (SOFC); temperatura pracy: C Uwaga: na dzień dzisiejszy w eksploatacji przemysłowej znajdują się ogniwa PEFC, AFC i PAFC Rys.IV.6. Ogniwo paliwowe [1] 9

10 Zalety: modułowy system budowy, łatwość rozbudowy wysoka sprawność elektryczna cicha praca (brak części ruchomych) niska emisja NO x i CO 2 róŝne w zaleŝności od rodzaju ogniwa - moŝliwości wykorzystania ciepła 10