E ERGETYKA I EKOLOGIA: Część III

Transkrypt

1 E ERGETYKA I EKOLOGIA: Część III Skojarzone wytwarzanie energii Prof. Dr hab. inż. Stanisław Drobniak Instytut Maszyn Cieplnych Politechnika Częstochowska drobniak@imc.pcz.czest.pl

2 ZAWARTOŚĆ CZĘŚCI III Scentralizowana produkcja energii elektrycznej Kogeneracja skala makro Kogeneracja skala mini Kogeneracja skala mikro Rozproszona kogeneracja energii Podsumowanie

3 EFEKT CIEPLAR IA Y JAK U IK ĄĆ EFEKTU CIEPLAR IA EGO? Trzy możliwe sposoby minimalizacji emisji CO 2 : pochłanianie i składowanie CO 2 stosowanie bardziej sprawnych technologii produkcji energii stosowanie technologii bezemisyjnych (lub niskoemisyjnych)

4 CMI CARBO MITIGATIO I ITIATIVE Jaki jest najlepszy i najtańszy sposób ograniczania emisji CO 2? Zmniejszenie ilości spalanych paliw węglowodorowych każdy kilogram nie spalonego węgla to unikniecie emisji 3 kilogramów CO 2 Jak zmniejszyć ilość spalanego paliwa: -zwiększyć sprawność technologii przetwarzania paliw węglowodorowych

5 Charakterystyka współczesnych technologii wytwarzania energii Scentralizowane wytwarzanie energii

6 Scentralizowane wytwarzanie energii przykład: Polska elektrownie cieplne wyjście 400 kv elektrownie cieplne wyjście 220 kv Wytwarzanie w pobliżu źródeł paliwa i wzdłuż rzek (z wyjątkiem elektrowni służących do regulacji sieci np. OST) moc zainstalowana MW

7 Scentralizowane wytwarzanie energii sprawność typowych rozwiązań elektrownie parowe elektrownie gazowe energia w paliwie = 100% (47)% (41.5)% energia elektryczna energia w paliwie = 100% 60 70% % energia tracona (niskie parametry) energia tracona (wysokie parametry)

8 Scentralizowane wytwarzanie energii sprawność typowych rozwiązań elektrownie parowe Moc elektryczna MW = 2160 MW MW moc cieplna Sprawność projektowa 40 % (elektryczna) typowa

9 Scentralizowane wytwarzanie energii podsumowanie cz.2 elektrownie parowo-gazowe elektrownie parowe energia w paliwie = 100% energia elektryczna, w 90 % użyteczna < 60% < 47 % energia elektryczna, (10 % strata przesyłowa) > 40% > 53% energia w paliwie = 100% energia tracona energia tracona emisja CO 2 z niepotrzebnie zużywanego paliwa

10 Charakterystyka współczesnych technologii wytwarzania energii Skojarzone wytwarzanie energii

11 Scentralizowane wytwarzanie energii flue spaliny gas filtr powietrza generator turbina gazowa tłumik hałasu tłumik hałasu kocioł odzysknicowy przepustnice palnik dodatkowy przykładowa siłownia z turbiną gazową (Solar Turbines Inc.) sprawność projektowa 32.5%, moc 10.7 MW

12 Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja flue spaliny gas filtr powietrza generator turbina gazowa temperatura: tłumik 488 [ 0 C] hałasu moc cieplna strumienia spalin: 20 MW tłumik hałasu kocioł odzysknicowy możliwość wytwarzania i przegrzewu pary dla turbiny parowej oraz wytwarzania ciepła przepustnice palnik dodatkowy Turbina gazowa i kocioł odzysknicowy (Solar Turbines I C.) Kocioł odzysknicowy ang. HRSG (Heat Recovery Steam Generator)

13 Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja Turbina gazowa z kotłem odzysknicowym energia w paliwie = 100% 27 35% 45% energia elektryczna ciepło produkty użyteczne Zmniejszenie ilości ciepła traconego z (65-73%) dla prostej generacji do (10-28%) dla kogeneracji

14 Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja PALIWO potrzebna ilość paliwa E ERGIA ELEKTRYCZ A ELEKTROW IA zapotrzebowanie na elektryczność i ciepło KOTŁOW IA CIEPŁO PALIWO STRATA E ERGII E ERGIA ELEKTRYCZ A KOGE ERACJA CIEPŁO Wykorzystanie paliwa w siłowni scentralizowanej i kogeneracyjnej STRATA E ERGII

15 Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja PALIWO ELEKTROW IA E ERGIA ELEKTRYCZ A 24 ε = = 40% 60 KOTŁOW IA Wykorzystanie paliwa rośnie z 58 % do 85 % (mimo niższej sprawności elektrycznej i cieplnej) CIEPŁO 34 ε = = 85% strata= = 42% 100 Zamiast PALIWO 100 jednostek energii pierwotnej zużywamy jedynie 68 jednostek STRATA E ERGII E ERGIA ELEKTRYCZ A KOGE ERACJA CIEPŁO 24 ε = = 35% 68 Zamiast zaśmiecać środowisko 42 jednostkami energii wyrzucamy tylko 10 jednostek STRATA E ERGII 10 strata= 15% 68

16 Kogeneracja skala makro (duża) Stadtwerke München (SWM) kogeneracja od r sieć cieplna 548 km - moc cieplna 2566 MW t - roczna produkcja ciepła ~ 4000 GWh

17 Kogeneracja skala makro (duża) Siłownia kogeneracyjna (CHP) Monachium Południe ( X. 2004) - moc elektryczna 417 MW e - moc cieplna 463 MW t - łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) 87,6%

18 Kogeneracja skala makro (duża) Układ gazowo parowy ang. CGSC (Combined Gas Steam Cycle)

19 Scentralizowane wytwarzanie energii sprawność maksymalna elektrownie gazowo parowe (Baglan Bay) spaliny z turbiny gazowej do kotła odzysknicowego (HRSG) układ jednowałowy: turbina gazowa turbina parowa - generator

20 wykorzystanie paliwa 87.6 % para woda zas. paliwo powietrze woda c.o.

21 Kogeneracja skala mini (średnia) kocioł odzysknicowy spaliny sieć c.o. i c.w.u. szpitala woda chłodząca Szpital St. Catherines ( Ontario, Kanada) - moc elektryczna 2.5 MW e - moc cieplna 1.5MW t - łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) 84%

22 Kogeneracja skala mini (średnia) - silnik RR Bergen B, spr. elektr. ~ 44 %, moc 5.1 MW, spaliny z silnika 430 [ 0 C], sp. do komina 62 [ 0 C], Ox <25ppmv, łączna sprawność 90 % - instalacja w Törring ( orwegia), 9 tys. mieszkańców, zbiornik ciepła 64 MWh - praca od 7 do 21 w dni powszednie, w weekendy silnik wyłączony od piątku wieczór do poniedziałku rano

23 Kogeneracja skala mini (średnia) energia w paliwie 100 % energia cieplna energia elektryczna

24 Kogeneracja skala mini (średnia) Oresundkraft ( Szwecja) - moc elektryczna 4.4 MW e - wydajność cieplna 10 ton pary / godz. - łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) 80%

25 Kogeneracja skala mini (średnia) woda zasilająca para nasycona powietrze temperatura otoczenia kocioł odzysknicowy spaliny sprężarka gazu biogaz wejście turbina gazowa Volvo VT4400DLE energia elektryczna wyjście Oresundkraft ( Szwecja) - moc elektryczna 4.4 MW e - wydajność cieplna 10 ton pary / godz. - łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) 80%

26 Kogeneracja skala mini (średnia) hala sportowa Brno (Czechy) mikroturbiny gazowe

27 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) Mikroturbina Turbec AB T100 produkowana w Szwecji: -moc elektryczna 100 kw -sprawność elektryczna netto 30 % (z regeneracją) -stopień wykorzystania paliwa 80 % z regeneracją -temperatura spalin przed turbiną- 950 [ 0 C] -temperatura spalin za turbiną- 650 [ 0 C] -temperatura spalin za regeneratorem [ 0 C] - strumień masy 0.80 [kg/s] -prędkość obrotowa ~ 4000 [obr/min] - hałas 70 db 1 m - emisja o x < 15 ppmv - jednowałowa, łożyska toczne

28 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) Mikroturbina Capstone C30 (C60) oferowana w USA: -moc elektryczna 30 kw ; 60 kw -sprawność elektryczna netto14 % (bez regeneracji), 26 % (28 %) (z regeneracjąwzrost kosztu jednostki o %) -stopień wykorzystania paliwa 70 % (78.4 %) z regeneracją -temperatura spalin przed turbiną- 950 [ 0 C] -temperatura spalin za turbiną- 520 [ 0 C] -temperatura spalin za regeneratorem ( 305) [ 0 C] - strumień masy 0.31 (0.49) [kg/s] -prędkość obrotowa ~ 6000 [obr/min] - hałas 65 (70) db 10 m - emisja o x < 9 ppmv - jednowałowa, łożyskowanie powietrzne

29 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) Generator VectorCogen oferowany w USA: -moc elektryczna 2 10 kw do zastosowań domowych -moc elektr. 15 kw 2 MW do zastosowań przemysłowych -sprawność elektryczna >30 % - sprawność całkowita: > 70 % dla małych jednostek, > 80 % dla dużych jednostek

30 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) Generator Whispergen testowany w W. Brytanii: - 1,1 kwe moc elektryczna - 15kW t moc cieplna - hałas na poziomie domowej lodówki - zwrot inwestycji po 5 latach (przy dzisiejszych cenach energii)

31 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) spaliny wymiennik ciepła przepływ spalin dodatkowy palnik wymiennik ciepła powietrze silnik Stirlinga i alternator Wentylator nawiewny

32 Kogeneracja skala mikro silnik Stirlinga ajnowsza wersja generatora Whispergen : - 1,1 kwe moc elektryczna - 15kW t moc cieplna - hałas na poziomie domowej lodówki - zwrot inwestycji po 5 latach przy dzisiejszych cenach energii (ale wyliczenia zniekształcone przez dofinansowanie prac nad prototypem)

33 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) gaz ziemny sieć elektryczna odbiorniki woda bieżąca ciepła woda użytkowa grzejnik c.o. dwudrogowy miernik energii elektrycznej zasobnik ciepłej wody instalacja c.o. sieć elektr. Whispergen pokrywa 85% zapotrzebowania na energię elektryczną

34 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) gaz ziemny sieć elektryczna odbiorniki woda bieżąca ciepła woda użytkowa grzejnik c.o. dwudrogowy miernik energii elektrycznej zasobnik ciepłej wody instalacja c.o. sieć elektr. Whispergen pokrywa 100 % zapotrzebowania na energię cieplną

35 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) Scentralizowane wytwarzanie energii energia pierwotna straty przemian energii straty przesyłu energii gaz węgiel olej op. energia dostępna dla końcowego użytkownika kogeneracja skala mikro energia pierwotna gaz olej op. energia dostępna dla końcowego użytkownika

36 Kogeneracja skala mikro (najmniejsza) czy te wyliczenia są wiarygodne? technologia prototypowa, instalowane są jednostki demonstracyjne silnik Stirlinga ma niską sprawność cieplną (20 30 %) spróbujmy oszacować opłacalność ekonomiczną mikrokogeneracji na przykładzie istniejącego, tradycyjnego rozwiązania w którym wszystkie koszty mogą być w wiarygodny sposób wyliczone dodatkową zaletą takiej analizy jest eliminacja wszystkich ukrytych kosztów (finansowanie badań, budowa prototypu, finansowanie akcji demonstracyjnej - tu wszędzie ukryte są dotacje i subsydia)

37 Kogeneracja podsumowanie udział energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu

38 Kogeneracja podsumowanie udział energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu Polska w środku stawki krajów europejskich niski udział kogeneracji w krajach z rozwiniętą energetyką jądrową niski udział kogeneracji w krajach z rozwiniętą energetyką odnawialną Dania jest wyjątkiem, dlaczego?

39 Kogeneracja podsumowanie kogeneracja daje mozliwość osiągnięcia wysokiej sprawności, bo współczynnik wykorzystania paliwa jest znacznie wyższy niż w scentralizowanej energetyce w kogeneracji uzyskuje się wysokie wykorzystanie paliwa przy stosowaniu stosunkowo prostych technologii (patrz przykład Monachium Sud) co oznacza, że nasze potrzeby na energię możemy zaspokoić przy niższych nakładach na nowe inwestycje dzięki kogeneracji zużywamy mniej paliw pierwotnych i mniej obciążamy środowisko bez zachęt podatkowych opłacalność ekonomiczna kogeneracji nie jest taka, jak wynika to ze sprawności procesów przetwarzania energii sprawność cieplna nie jest wystarczającym kryterium sukcesu ekonomicznego bo zakłócenie struktury kosztów w przypadku tak złożonego systemu jak system energetyczny jest nieuniknione (ukryte subsydia) a system podatkowy wypacza reguły wynikające z praw fizyki (akcyza na paliwa, ukrywanie kosztów środowiskowych lub przerzucanie ich na całe społeczeństwo) mimo wszystko kogeneracja jest koniecznością, Polska jest w Europie średniakiem, co to może oznaczać? albo jest dobrze nic nie robimy, albo musimy gonić inne krajeco jest odpowiedzią poprawną???

40 Kogeneracja rozproszona przykład zastosowania - Dania elektrownie scentralizowane wytwarzanie energii elektrycznej

41 Kogeneracja rozproszona przykład zastosowania - Dania elektrownie elektrownie z kogeneracją elektr. wiatrowe

42 Kogeneracja rozproszona przykład zastosowania - Dania Wytwarzanie energii elektrycznej w miejscu gdzie jest potrzebna (redukcja strat przesyłu) elektrownie elektrownie z kogeneracją elektr. wiatrowe

43 Jak poprawić sprawność obiegu i zredukować ilość niepotrzebnie emitowanego CO 2? skojarzona produkcja elektryczności i ciepła czyli kogeneracja ang. CHP (Combined Heat and Power) trójgeneracja (elektryczność, ciepło, chłód) kogeneracja rozproszona to maksymalne możliwe wykorzystanie kogeneracji i trójgeneracji od skali makro przez mini do mikro uzupełnione pozyskiwaniem energii ze źródeł odnawialnych co zapewnia maksymalną redukcję emisji CO 2

44 W IOSKI część I wykładu wskazuje, że musimy zwiększać zużycie energii (Polska przynajmniej dwukrotnie) Część II wykładu wskazuje, że nie możemy zwiększać zużycia energii stosując tradycyjne technologie energetyczne Część III wykładu wskazuje, że stosowanie różnych technologii kogeneracji jest koniecznością