KONCEPCJA HYBRYDOWEJ SI OWNI GEOTERMALNEJ W UNIEJOWIE

Pawe³ HANAUSEK Piotr KLONOWICZ Jan KRYSIÑSKI Instytut Maszyn Przep³ywowych Politechniki ódzkiej 90-924 ódÿ, ul. Wólczañska 219/223 e-mail: phanaus@p.lodz.pl Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa ony Rozwój nr 1 2/2010 KONCEPCJA HYBRYDOWEJ SI OWNI GEOTERMALNEJ W UNIEJOWIE STRESZCZENIE W artykule opisano trzy warianty si³owni hybrydowych, które zasilane s¹ energi¹ z geotermii oraz energi¹ ciepln¹ biomasy w postaci s³omy. Moc produkowan¹ w uk³adach hybrydowych porównano z moc¹ wytwarzan¹ przez uk³ad referencyjny, tzn. taki, w którym czêœæ geotermalna jest ca³kowicie rozdzielona z obiegiem zasilanym biomas¹. Pozwala to oceniæ, jak du y wp³yw na sprawnoœæ ma zastosowanie uk³adu hybrydowego. Zak³ada siê, e biomasa bêdzie spalana w kotle parowym, a zatem ta czêœæ obiegu bêdzie pracowa³a na wysokich parametrach. Czêœæ geotermalna bêdzie natomiast oparta na czynniku niskowrz¹cym (ORC). W ostatnim rozdziale przeprowadzono rozwa ania odnoœnie turbin, które mog³yby byæ zastosowane w obiegach. S OWA KLUCZOWE Energia geotermalna, biomasa, si³ownie hybrydowe, obieg ORC * * * WPROWADZENIE Potencjalny kryzys energetyczny i aspekty œrodowiskowe sk³aniaj¹ do poszukiwania alternatywnych Ÿróde³ energii. Du e nadzieje pok³ada siê w Ÿród³ach odnawialnych. Ich zró nicowanie wymaga jednak dostosowania odpowiednich technologii i sposobów eksploatacji. Pomimo oczywistych korzyœci wykorzystania energii odnawialnej czynnikiem demotywuj¹cym potencjalnych inwestorów s¹ z regu³y znaczne koszty wstêpne. Dlatego te d¹ y siê do mo liwie najefektywniejszego i kompleksowego korzystania z ró nych typów zasobów. Recenzowa³ dr hab. in. Aleksander Andrzej Stachel Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 3.08.2009 r., zaakceptowano do druku 13.04.2010 r. 49

Polska dysponuje doœæ znacznym potencja³em geotermalnym, który jest stosunkowo równomiernie roz³o ony na terenie kraju. W pracach Soko³owskiego, Góreckiego i Neya przedstawiono rozk³ad zasobów geotermalnych w zale noœci od po³o enia i geologicznego uwarunkowania. Szacuje siê, e ca³kowita wielkoœæ tych zasobów wynosi oko³o 6600 km 3, co przypada na Ÿród³a o niskiej i œredniej entalpii. Odpowiada to temperaturom wody w granicach 25 150 C. Najdogodniejsze warunki geotermalne wystêpuj¹ na Ni u Polskim, Podhalu i w Sudetach (Ney, Soko³owski 1987). W tej chwili nie istniej¹ w naszym kraju si³ownie, które zasilane by³yby energi¹ geotermaln¹. W kilku przypadkach jednak parametry wód geotermalnych w istniej¹cych ciep³owniach s¹ na tyle wysokie, e umo liwi³yby produkcjê energii elektrycznej. W niniejszej pracy przedstawiono koncepcjê elektrociep³owni hybrydowej, któr¹ planuje siê zastosowaæ w Geotermii Uniejów. Bêdzie to pierwsza w Polsce tego typu instalacja. Oprócz ciep³a geotermalnego, si³ownia ma wykorzystywaæ równie ciep³o powsta³e ze spalania biomasy. 1. PRZYK ADY ISTNIEJ CYCH SI OWNI GEOTERMALNYCH ZASILANYCH RÓD AMI NISKOTEMPERATUROWYMI Aby wytworzyæ energiê mechaniczn¹ z wody o niskiej temperaturze (poni ej 150 C) najkorzystniej jest zastosowaæ tzw. obiegi ORC (Organic Rankin Cycle), w których medium roboczym jest ciecz niskowrz¹ca. W parowniku zasilanym gor¹c¹ wod¹ wytwarza siê z regu³y parê nasycon¹, która kierowana jest na turbinê. Zamiast czynników niskowrz¹cych (ch³odniczych) mo na tak e zastosowaæ wodê. Unika siê jednak takich rozwi¹zañ, ze wzglêdu na niskie parametry pary wodnej przy takich temperaturach. Uk³ad musia³by pracowaæ na wysokim podciœnieniu (ciœnienie w skraplaczu powinno wynosiæ w tym przypadku oko³o 0,02 0,03 bar) (Hanausek i in. 2008). Rodzi to problemy z uszczelnieniami, a poza tym wymusza znaczne rozmiary maszyny i wymaga zastosowania nieproporcjonalnie du ej liczby stopni w stosunku do uzyskiwanej mocy. W przypadku czynników ch³odniczych liczbê stopni mo na ograniczyæ do jednego, a wymiary samej maszyny s¹ wielokrotnie mniejsze. W niniejszym rozdziale podano przyk³ady dwóch si³owni opartych na obiegach ORC, które dzia³aj¹ komercyjnie. Zaprezentowano równie pierwsz¹ polsk¹ instalacjê opart¹ na obiegu ORC, która jest minisi³owni¹ laboratoryjn¹. 1.1. Altheim (Austria) W tej si³owni temperatura wody geotermalnej na wlocie do wymiennika wynosi 106 C natomiast na wylocie 70 C. Strumieñ masy wody wynosi 81,7 kg/s. Moc cieplna uk³adu wynosi 12 400 kw, natomiast produkowana moc elektryczna netto to 900 kw (Klonowicz 2007) (rys. 1). 50

Rys. 1. Widok si³owni Altheim (Klonowicz 2007) Fig. 1. View of the Altheim power plant (Klonowicz 2007) 1.2. Neustadt-Glewe (Niemcy) Jest to si³ownia, która wykorzystuje najni sz¹ w Europie temperaturê wody geotermalnej do produkcji energii elektrycznej. Wynosi ona 98 C (na wlocie do wymiennika) oraz 73 C (na wyjœciu z wymiennika). Strumieñ masy wody jest znacznie ni szy ni w poprzednim przyk³adzie i wynosi 30,6 kg/s. St¹d te ni sza moc cieplna równa 6000 kw, a tak e moc elektryczna 210 kw (netto) (Hanausek 2006). 1.3. Stanowisko doœwiadczalne Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego Ten uk³ad doœwiadczalny zosta³ zbudowany przez firmê Turboservice Sp. z. o.o. we wspó³pracy z Instytutem Maszyn Przep³ywowych Politechniki ódzkiej oraz Katedr¹ Techniki Cieplnej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego, która by³a pomys³odawc¹ i zleceniodawc¹ projektu. Wykorzystuje on energiê ciepln¹ gor¹cej wody (pobierana jest z sieci) o temperaturze nominalnej 110 C i strumieniu masy oko³o 1,5 kg/s. Czynnikiem roboczym jest tutaj nowoczesny, organiczny czynnik niskowrz¹cy o bardzo dobrych parametrach termodynamicznych (du a sprawnoœæ konwersji energii) oraz niskiej szkodliwoœci dla otoczenia. Stoisko nie posiada generatora elektrycznego, natomiast praca turbiny jest odbierana przez sprê arkê. Nominalna moc uk³adu wynosi 24 kw, jednak z uwagi na trudnoœci techniczne nie uda³o siê jeszcze uzyskaæ tej wartoœci. Du ym wyzwaniem by³ tutaj projekt samej turbiny, w której ze wzglêdu na ma³e strumienie objêtoœci œrednica wirnika wynosi oko³o 5 cm. Zdjêcie stoiska pokazano na rysunku 2 (Magiera i in. 2009). 51

Rys. 2. Widok stoiska doœwiadczalnego w Katedrze Techniki Cieplnej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (Magiera i in. 2009) Fig. 2. View of the experimental power plant at the Faculty of Heat Technology of West Pomeranian University of Technology (Magiera i in. 2009) 2. ANALIZA OBIEGÓW DLA ELEKTROCIEP OWNI W UNIEJOWIE W tym rozdziale przedstawiono 3 warianty obiegów, które mog¹ byæ baz¹ dla przysz³ej si³owni. Wyniki, które zaprezentowano, otrzymano przy za³o eniu, e ca³e dostêpne zasoby s¹ wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej (sezon letni). Oprócz obiegów hybrydowych, przedstawiono tak e obieg referencyjny, który zasilany jest jedynie ciep³em z geotermii. Pozwoli to oceniæ, jaki wk³ad wnosi dodatkowe paliwo w postaci s³omy. W symulacjach poszczególnych obiegów przyjêto takie same sprawnoœci izentropowe turbin ( t = 0,78) oraz za³o ono brak przech³odzenia czynnika w skraplaczu. Brak przech³odzenia bêdzie mia³ wp³yw na ostateczne wyniki w sensie iloœciowym, jednak w przypadku analizy porównawczej poszczególnych obiegów pozwoli zachowaæ prawid³owe stosunki mocy. Za³o ono tak e izentropowy charakter sprê ania czynnika w pompach obiegowych. W przypadku wszystkich wymienników za³o ono sta³¹ wartoœæ pitch-point równ¹ 3 K, która w rzeczywistoœci tak e mo e byæ inna, ale przyjêta konsekwentnie dla wszystkich obiegów da wyniki poprawne jakoœciowo. Temperatura skroplin w symulacjach wynosi³a 20 C. Maksymalny strumieñ objêtoœci wody geotermalnej oraz jej temperaturê i ciœnienie 52

za³o ono odpowiednio na 120 m 3 /h oraz 70 C i 1,5 bar(a). Dodatkowy strumieñ ciep³a z biomasy ustalono na 2178 kw (co odpowiada deklarowanej iloœci s³omy równej 5000 ton na rok). Obliczenia wykonano z wykorzystaniem biblioteki REFPROP. Na wszystkich schematach obiegów oznaczono odpowiednio poszczególne przekroje kontrolne. Indeksy przy pojawiaj¹cych siê symbolach odnosz¹ siê bezpoœrednio do tych przekrojów. 2.1. Uk³ad referencyjny Aby wyraÿnie oceniæ korzyœci hybrydowego po³¹czenia obiegów przeprowadzono analizê uk³adu, w którym obydwa obiegi, to jest zasilany biomas¹ oraz geotermi¹ s¹ ca³kowicie rozdzielone (rys. 3). Produkowana przez ka d¹ turbinê moc mechaniczna jest przekazywana na generator za pomoc¹ przek³adni. Rys. 3. Rozdzielone obiegi pary wodnej oraz ORC Symbole: OW odwiert wydobywczy, OZ odwiert zat³aczaj¹cy, PC pompa skroplonego czynnika, SK1 skraplacz dla obiegu ORC, TORC turbina na czynnik niskowrz¹cy, G generator elektryczny, PW pompa skroplonej wody, SK2 skraplacz dla obiegu pary wodnej, TP turbina na parê wodn¹, K kocio³ parowy Przekroje kontrolne: G1 woda geotermalna na wlocie do parownika, G2 woda geotermalna na wylocie z parownika, 1 para nasycona czynnika niskowrz¹cego, 2 rozprê ona w turbinie para czynnika niskowrz¹cego, 3 skroplony czynnik niskowrz¹cy, 4 sprê one skropliny czynnika do ciœnienia p 1, W1 przegrzana para wodna na wylocie z kot³a parowego, W2 rozprê ona w turbinie para wodna, W3 skropliny (woda), W4 woda sprê ona do ciœnienia p W1 Fig. 3. Separated steam and ORC cycles 53

W rozwi¹zaniu zaproponowanym na schemacie z rysunku 4 niewielka czêœæ strumienia masy wody geotermalnej jest wykorzystana na wstêpne podgrzanie wody opuszczaj¹cej skraplacz w obiegu kot³owym. Poza tym uk³ad dzia³a podobnie jak referencyjny, jednak powinien produkowaæ wiêksz¹ moc. Rys. 4. Rozdzielone obiegi pary wodnej i ORC ze wstêpnym podgrzaniem wody Symbole: OW odwiert wydobywczy, OZ odwiert zat³aczaj¹cy, WW wymiennik woda woda geotermalna, WP parownik, PC pompa skroplonego czynnika, SK1 skraplacz w obiegu ORC, TORC turbina na czynnik niskowrz¹cy, PW pompa skroplonej wody, SK2 skraplacz dla obiegu wysokotemperaturowego, TP turbina na parê wodn¹, K kocio³ parowy, G generator. Przekroje kontrolne: G1 gor¹ca woda geotermalna, G2 czêœæ wody geotermalnej kierowanej do parownika, G3 czêœæ wody geotermalnej na wylocie z parownika, G4 czêœæ wody geotermalnej kierowana na wymiennik, G5 czêœæ wody geotermalnej na wylocie z wymiennika, G6 sch³odzona woda geotermalna kierowana do odwiertu, 1 nasycona para czynnika niskowrz¹cego, 2 para czynnika rozprê ona w turbinie, 3 skropliny czynnika, 4 skropliny sprê one do ciœnienia p 1, W1 przegrzana para wodna kierowana na turbinê, W2 para wodna rozprê ona w turbinie, W3 skroplona woda, W4 woda sprê ona do ciœnienia p W1, W5 wstêpnie ogrzana woda kierowana do kot³a Fig. 4. Separated steam and ORC cycles with water preheating Rysunek 5 przedstawia obiegi pary wodnej oraz obieg ORC po³¹czone wymiennikiem ciep³a. Wymiennik jest jednoczeœnie skraplaczem dla obiegu pary wodnej oraz parownikiem dla obiegu ORC. Nale y tutaj zaznaczyæ, e parownik ten nie odparowuje 54

Rys. 5. Sprzê ony obieg wodny oraz ORC Symbole: W parownik, PC pompa skroplonego czynnika, SK1 skraplacz dla obiegu ORC, TORC turbina na czynnik niskowrz¹cy, SK2 parownik-skraplacz, TP turbina na parê wodn¹, K wodny kocio³ parowy, G generator, PW pompa skroplonej wody Przekroje kontrolne: G1 gor¹ca woda geotermalna, G2 sch³odzona woda geotermalna, 1 wilgotna para czynnika niskowrz¹cego kierowana na parownik-skraplacz, 2 nasycona para czynnika kierowana na turbinê, 3 rozprê ona para czynnika, 4 skropliny czynnika, 5 skroplony czynnik sprê ony do ciœnienia p 2, W1 przegrzana para wodna, W2 para wodna rozprê ona w turbinie przed wlotem na parownik-skraplacz, W3 skroplona para wodna, W4 woda sprê ona do ciœnienia p W1 Fig. 5. Combined steam and ORC cycles czynnika od stanu wrzenia (poniewa nie wystarczy³oby energii cieplnej biomasy) lecz od pewnego stopnia wilgotnoœci np. x 1 =0,5dox 2 = 1,0. Pozwala to na optymalne wykorzystanie ciep³a geotermalnego. Poniewa dla za³o onych parametrów para wodna na wylocie z turbiny jest wilgotna, wymiennik bêdzie pracowa³ przy sta³ych temperaturach na ca³ej swojej d³ugoœci (rys. 7). Uk³ad z rysunku 6 dzia³a dok³adnie tak samo, jedyna ró nica jest taka, e woda kierowana do kot³a jest wstêpnie podgrzewana na wymienniku z wod¹ geotermaln¹. Porównanie mocy produkowanych przez wszystkie obiegi z wodnym kot³em parowym zaprezentowano na rysunku 8. Jak widaæ najwiêksz¹ moc daje obieg z rysunku 6. Wynosi ona 833,7 kw i jest osi¹gana dla temperatury pary nasyconej T 2 równej 46 C. Jest to jednoczeœnie najbardziej skomplikowany uk³ad. Maksymalne moce uk³adów 55

Rys. 6. Sprzê ony obieg wodny oraz ORC ze wstêpnym podgrzaniem wody kierowanej do kot³a parowego Symbole: OW odwiert wydobywczy, OZ odwiert zat³aczaj¹cy, WW wymiennik ciep³a woda obiegowa woda geotermalna, WP parownik, PC pompa czynnika niskowrz¹cego, SK1 skraplacz dla obiegu ORC, SK2 parownik-skraplacz, PW pompa wody obiegowej, TORC turbina na czynnik niskowrz¹cy, TP turbina na parê wodn¹, K wodny kocio³ parowy, G generator. Przekroje kontrolne: G1 gor¹ca woda geotermalna, G2 czêœæ wody geotermalnej kierowana do parownika, G3 czêœæ wody geotermalnej na wylocie z parownika, G4 czêœæ wody geotermalnej kierowana na wymiennik woda geotermalna woda obiegowa, G5 woda geotermalna na wylocie z wymiennika, G6 sch³odzona woda geotermalna kierowana do odwiertu, 1 wilgotna para czynnika niskowrz¹cego kierowana na parownik-skraplacz, 2 nasycona para czynnika niskowrz¹cego kierowana na turbinê, 3 rozprê ona para czynnika, 4 skroplony czynnik niskowrz¹cy, 5 czynnik niskowrz¹cy sprê ony do ciœnienia p 2. W1 woda obiegowa ogrzana w wymienniku, W2 przegrzana para wodna kierowana na turbinê, W3 rozprê ona para wodna, W4 skroplona para wodna, W5 woda sprê ona do ciœnienia p W2 Fig. 6. Combined steam and ORC cycles with water preheating z rysunków 4 i 5 s¹ porównywalne i wynosz¹ odpowiednio: 823,7 kw dla temperatury pary czynnika równej 44 C oraz 822,8 kw dla temperatury pary czynnika równej tak e 48 C. Jak widaæ, najni sz¹ moc maksymaln¹ wytworzy³ uk³ad referencyjny (rys. 8) i osi¹gn¹³ j¹ dla temperatury pary nasyconej czynnika równej 44 C. Wynios³a ona 787,4 kw, co pokazuje wyraÿn¹ przewagê sprawnoœci obiegów hybrydowych nad obiegami prostymi. 56

Rys. 7. Wykres dla wymiennika dzia³aj¹cego jako skraplacz i parownik dla uk³adów z rysunków 5 i 6 (T pp pitch-point ) Fig. 7. Plot for the exchanger working as condenser and evaporator for the cycles from fig. 5 and fig. 6 (T pp pitch-point ) Rys. 8. Porównanie mocy netto produkowanych przez rozpatrywane uk³ady Fig. 8. Compariso of net power produced by the considered cycles 57

Uk³ady z rysunków 5 i 6 s¹ technologicznie znacznie bardziej k³opotliwe od uk³adu z rysunku 4, z uwagi na problemy z transportem bardzo mokrej pary z jednego wymiennika do drugiego. Z drugiej strony, turbina parowa w uk³adach z rysunków 5 i 6 nie rozprê a pary wodnej do tak niskiego ciœnienia, a w zwi¹zku z tym bêdzie maszyn¹ o mniejszej liczbie stopni. 3. TURBINY Decyzja o tym, jakie turbiny zostan¹ wykorzystane w uk³adzie bêdzie zale a³a od przyjêtego rozwi¹zania. Na wszystkich zaprezentowanych schematach, turbiny po³¹czone by³y ze sob¹ przek³adniami. Pozwala to na lepsze dopasowanie turbin, poniewa daje mo liwoœæ ustalenia w pewnym przedziale prêdkoœci obrotowej ka dej z nich. Po ¹dana prêdkoœæ obrotowa na wale generatora wynosi 3000 obr/min, co odpowiada czêstotliwoœci sieci elektrycznej. Alternatywnym rozwi¹zaniem by³oby zastosowanie dwóch generatorów bezpoœrednio na wale ka dej z turbin. Wymaga to jednak projektowania ich pod konkretn¹ prêdkoœæ obrotow¹, co w tym przypadku uniemo liwia osi¹gniêcie wysokich sprawnoœci. Dwa osobne generatory daj¹ wiêksz¹ mo liwoœæ sterowania strumieniami ciep³a (poniewa uk³ad jest elektrociep³owni¹). Dodatkowo pozwalaj¹ unikn¹æ problemów eksploatacyjnych, które bêd¹ obecne w przypadku przek³adni. Turbina parowa bêdzie wielostopniowa, natomiast w turbinie ORC bêdzie wystarcza³ tylko jeden stopieñ. WNIOSKI Przedstawione symulacje obiegów hybrydowych wskazuj¹, e zasoby geotermalne Uniejowa wspomagane dodatkowo biomas¹ w postaci s³omy daj¹ podstawê do budowy hybrydowej elektrociep³owni. Zaprezentowano tutaj wyniki dzia³ania si³owni w sezonie letnim. W sezonach ch³odniejszych uzyskiwane moce bêd¹ mniejsze. W szczycie okresu zimowego ca³a energia cieplna pochodz¹ca zarówno z geotermii jak i biomasy bêdzie wykorzystywana do celów grzewczych. Prowadzone s¹ dalsze prace nad obiegami daj¹cymi wiêkszy udzia³ energii geotermalnej w wartoœci mocy mechanicznej wytworzonej przez uk³ad hybrydowy. LITERATURA NEY R., SOKO OWSKI J., 1987 Wody geotermalne Polski i mo liwoœci ich wykorzystania. Nauka Polska, nr 6. MAGIERA R., KLONOWICZ P., HANAUSEK P., CHODKIEWICZ R., KLONOWICZ W., 2009 Design, Construction and First Operational Experience with a Small Turbine Applied in an ORC Research Installation, 58

8th conference on Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow - ES 2009, June 18, 2009, Pilsen, Czech Republic. KLONOWICZ P., 2007 Computational Algorithm for Low Enthalpy Power Plant Cycles. Praca magisterska, Politechnika ódzka. HANAUSEK P., 2006 Hybrydowe si³ownie geotermalne z wykorzystaniem biomasy i Ÿróde³ geotermalnych o niskiej entalpii. Konferencja Ekologiczna Ratujmy Gor¹ce ród³a cz. II. Uniejów 21.09.2006. HANAUSEK P., CHODKIEWICZ R., KLONOWICZ P., KRY OWICZ W., 2008 Sprawozdanie z realizacji pracy p.t. Projekt koncepcyjny geohybrydowej elektrociep³owni w Uniejowie. zlecenie nr IMP-I10/501/12/32/2008. THE CONCEPT OF GEOTHERMAL HYBRYD POWER PLANT IN UNIEJOW ABSTRACT Three schemes of the hybrid power plants powered by geothermal energy and heat energy of biomass (in form of straw) were described in the paper. The power produced by the systems was compared to the power produced by the reference system in which the geothermal part and biomass cycle are fully separated. It allows to asses the influence of utilization of the hybrid scheme on the power plant efficiency. It is assumed that the biomass is combusted in a steam boiler so that this part of the cycle works with high steam parameters. The geothermal part is based on a refrigerant (ORC cycle). In the last section brief considerations are presented in respect to the turbines that could be applied in the cycles. KEY WORDS Geothermal energy, biomass, hybrid power plants, ORC cycle