z Nałęczów, 21 lutego 2014 Warsaw University of Technology Slide 1 of 27
z Bardzo wiele czyni się w kierunku poprawy czystości technik wytwarzania energii opartych o spalanie paliw organicznych. Jest to jednak niewystarczające w celu realizacji wymaganego przez Unię Europejską ciągłego zmniejszania emisji CO 2. Prace nad zmniejszeniem emisji CO 2 są ciągle prowadzone, np.: [2, 3, 5]. Istnieją również inne możliwości ograniczenia emisji, jak na przykład podnoszenie sprawności przetwarzania energii pierwotnej w energię elektryczną. Jednym z przykładów może być stosowanie tzw. urządzeń bezpośredniej przemiany. Warsaw University of Technology Slide 2 of 27
z Sprawność, % 80 70 60 50 40 30 20 10 Ogniwa Turbiny gazowe z regeneracją ciepła Mikro-turbiny Układy z turbiną wodorową Układy hybrydowe z ogniwami i Silniki tłokowe Turbiny gazowe Układy gazowo-parowe 0.1 1 10 100 1000 Moc, MW Sprawność generacji energii elektrycznej przez różne źródła (w odniesieniu do ciepła spalania) Warsaw University of Technology Slide 3 of 27
układów energetycznych z węglanowym ogniwem z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i Pozostałe układy energetyczne z Ogniwa ( i SOFC) uważane za jedne z bardziej perspektywicznych źródeł energii elektrycznej [14]: potencjalnie wysoka sprawnością tych urządzeń wynikającą z bezpośredniości przemiany energii chemicznej paliwa w prąd elektryczny z pominięciem ograniczeń dla silnika cieplnego (obieg Carnota). Mogą pracować w kogeneracji (skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła) [1, 4, 9, 12, 13] jak również w układach trójgeneracyjnych [8]. Ponadto mogą być zasilane biopaliwami [6], co przy rosnących cenach paliw jest nie bez znaczenia. Nie bez znaczenia jest również fakt, że węglanowe ogniwa () jako jedyne ze wszystkich typów ogniw paliwowych dają możliwość bezpośredniej redukcji emisji CO 2 poprzez jego wychwyt [10, 11]. Warsaw University of Technology Slide 4 of 27
z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i układów energetycznych z węglanowym ogniwem z najczęściej nie pracuje samodzielnie szereg możliwości integracji ogniw: dwie sprężarki (dmuchawy) gazów roboczych podukład turbiny gazowej szereg wymienników Występuje jeszcze wiele innych możliwości konfiguracji ogniwa go w układ hybrydowy [15] (np. z podukładem turbiny powietrznej, parowej, itp.). Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 5 of 27
układów energetycznych z węglanowym ogniwem Ogniwo pracujące samodzielnie z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i Powietrze Paliwo Sprężarka/Wentylator Ogniwo Spaliny Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 6 of 27 KS Schemat ogniwa go wolnostojącego
układów energetycznych z węglanowym ogniwem Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Paliwo Turbina parowa z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i Powietrze Komora dopalająca Sprężarka/Wentylator Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 7 of 27 Spaliny Ogniwo Pompa G Skraplacz Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem i obiegiem parowym
układów energetycznych z węglanowym ogniwem Komora dopalająca Paliwo Spaliny Ogniwo z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i G Turbina powietrzna Sprężarka Powietrze Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem i turbiną powietrzną Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 8 of 27
układów energetycznych z węglanowym ogniwem Sprężarka gazów anodowych Komora dopalająca Paliwo Ogniwo Spaliny z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i Sprężarka Powietrze Turbina gazowa Układ hybrydowy z atmosferycznym ogniwem i turbiną gazową Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 9 of 27 G
układów energetycznych z węglanowym ogniwem z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i Sprężarka Komora dopalająca Powietrze Ogniwo Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 10 of 27 Paliwo Turbina gazowa Spaliny i turbiną gazową G
układów energetycznych z węglanowym ogniwem z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i Układ hybrydowy z turbiną gazową Deklarowana sprawność wg [7] 67% Układy hybrydowe z turbiną gazową mogą należeć do grupy układów ciśnieniowych oraz atmosferycznych Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 11 of 27
układów energetycznych z węglanowym ogniwem z Ogniwo pracujące samodzielnie Układy Hybrydowe z atmosferycznym ogniwem Układ hybrydowy z turbiną gazową atmosferycznym i atmosferycznym i Można rozważać strukturę układu hybrydowego z dwoma ogniwami, z których jedno pracuje w warunkach podwyższonego ciśnienia znacznie różnego od ciśnienia otoczenia, natomiast drugie jest ogniwem atmosferycznym. Dodatkowo układ może zawierać na przykład obieg turbiny gazowej, powietrznej czy nawet obieg parowy. Natomiast złożoność struktury nie koniecznie musi wpływać korzystnie na osiągi układu. W niniejszej pracy pominięto analizę takiego typu układów. Warto zaważyć, iż we wszystkich rozważanych strukturach układów hybrydowych, możliwe jest zastosowanie recyrkulacji gazów katodowych, polegającej na zawróceniu czynnika opuszczającego katodę na jej wlot przy użyciu wentylatora. Pozostałe układy energetyczne z Warsaw University of Technology Slide 12 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie Pozostałe układy energetyczne z układy do separacji CO 2 stwarza taką możliwość prowadzone badania nad układami zasilanymi biopaliwami możliwość zastosowania układów z w energetyce rozproszonej Warsaw University of Technology Slide 13 of 27
z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie węglanowym ogniwem energetycznego z Główne parametry pracy Ważne parametry pracy ogniwa: stopień utlenienia (wykorzystania paliwa) sprawność generacji energii elektrycznej ilość i sposób odebranego z ogniwa ciepła sposób przygotowania gazów procesowych (paliwa i utleniacza) przed ich dostarczeniem do ogniwa skład i temperatura spalin opuszczających ogniwo Cechy charakteryzujące ogniwo : gęstość prądu generowana z powierzchni ogniwa Warsaw University of Technology Slide 14 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie powierzchnia ogniwa rodzaj połączenia ogniw w stosie od strony przepływu go Z przedstawionego przeglądu można wytypować warunki brzegowe, które są uniwersalne dla każdego układu energetycznego współpracującego z ogniwem. Należą do nich: 1. Ilość paliwa jakie zostało utlenione w procesach elektrochemicznych zachodzących w ogniwie (zarówno całkowita jak i procentowa) 2. Temperatura pracy ogniwa 3. Ciśnienie pracy i straty ciśnienia 4. Sprawność ogniwa 5. Moc ogniwa Warsaw University of Technology Slide 15 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie Istotne jest otoczenie ogniwa, tzn. układ energetyczny, w którym ogniwo to będzie pracowało. Możliwości jest wiele. Najprostszym możliwym przypadkiem jest układ, gdzie odbierana od ogniwa jest tylko energia elektryczna. Bardziej zaawansowany jest układ kogeneracyjny, gdzie oprócz energii elektrycznej odbierane jest od ogniwa ciepło. Najbardziej skomplikowane układy to np. układ hybrydowy łączący ogniwo z turbiną parową bądź gazową. Im bardziej skomplikowany jest układ, tym więcej ograniczeń należy wprowadzić. Ogniwo opór właściwy elektrolitu grubość matrycy zawierającej elektrolit przewodność jonowa elektrolitu ciśnienie cząstkowe tlenu Warsaw University of Technology Slide 16 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla stopień utylizacji paliwa gęstość maksymalna prądu wydatek jonów węglanowych przechodzących ze strony katody do anody CO 2 opór elektryczny ogniwa powierzchnia czynna ogniwa napięcie maksymalne temperatura pracy ogniwa ilość podawanego paliwa Warsaw University of Technology Slide 17 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie Układ z ogniwem hybrydowy układ wytwarzania ogniwo -turbina bardzo skomplikowany system wieloźródłowy turbina pracuje na spalinach z ogniwa duże powiązanie specyfika pracy wymaga podawania mieszaniny tlenu i dwutlenku węgla do przepływu katodowego. Realizowane jest to za pomocą umieszczenia komory spalania przed, przy czym komora ta zasilana jest gazami pochodzącymi z przepływu anodowego, który zawiera nieutlenione związki. W układach z ogniwami i występuje więc konieczność umiejscowienia komory spalania przed ogniwem. Wobec czego, turbina gazowa pracuje bezpośrednio na spalinach z ogniwa bez możliwości podniesienia ich temperatury. W związku z tym, Warsaw University of Technology Slide 18 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie maksymalna temperatura pracy ogniwa jest jednocześnie maksymalną temperaturą gazów przed turbiną. Daje to dosyć niskie wartości tej temperatury (rzędu 650 C) w porównaniu z klasycznymi turbinami gazowymi (gdzie temperatura spalin może dochodzić nawet do 1500 C). Sytuacja taka powoduje, iż w układzie z ogniwem nie można uzyskać ekstremalnie wysokich sprawności. Parametry mające wpływ na pracę ogniwa: temperatura pracy ogniwa - 650 C stopień recyrkulacji gazów anodowych - od 25 do 85% stopień utylizacji paliwa - od 40 do 90% moc układu udział mocy ogniwa w mocy całego układu napięcie ogniwa temperatura spalin opuszczających układ Warsaw University of Technology Slide 19 of 27
węglanowym ogniwem gęstość prądu Biorąc pod uwagę jeszcze układ z do separacji CO 2 ze spalin, istotnym parametrem będzie również stopień redukcji emisji CO 2. z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie Warsaw University of Technology Slide 20 of 27
węglanowym ogniwem z Główne parametry pracy Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zestawienie Dyskusja głównych parametrów pracy ogniwa Zostały wytypowane następujące parametry istotne z punktu widzenia układu energetycznego: 1. Ilość paliwa jakie zostało utlenione w procesach elektrochemicznych zachodzących w ogniwie (zarówno całkowita jak i procentowa) 2. Temperatura pracy ogniwa 3. Ciśnienie pracy i straty ciśnienia 4. Sprawność ogniwa 5. Moc ogniwa Warsaw University of Technology Slide 21 of 27
z Zestawienie Główne parametry pracy ogniwa istotne z punktu widzenia układu energetycznego Parametr Zakres wartości Komentarz Temperatura, C 600 650 górne źródło ciepła Stopień utylizacji paliwa, 40 90 % Ciśnienie, bar 1 4 Sprawność, % 10 60 Moc, kw 1 15 000 Warsaw University of Technology Slide 22 of 27
z Węglanowe ogniwo ma szerokie zastosowanie: praca samodzielna generowanie tylko i wyłącznie energii elektrycznej praca w układzie energetycznym mniej lub bardziej skomplikowanym badania nad zastosowaniem ogniw do do sepaacji CO 2 Hybrydowe układy energetyczne z wkomponowuja sie w dzisiejszy trend do oszczędzania energii pierwotnej i paliw kopanych Warsaw University of Technology Slide 23 of 27
z [1] Badyda, K., W. Bujalski, and J. Milewski: 2010, District Heating, Cogeneration And Heat Accumulation. In: PASI 2010 Energy, Water and Global Climate Change as a Regional Agenda of the Americas. [2] Bartela, L. and J. Kotowicz: 2011, Influence of membrane CO 2 separation process on the effectiveness of supercritical combined heat and power plant. Rynek Energii 97(6), 12 19. [3] Bartela, L., A. Skorek-Osikowska, and J. Kotowicz: 2012, Integration of a supercritical coal-fired heat and power plant with carbon capture installation and gas turbine [Integracja bloku elektrociepłowni węglowej na parametry nadkrytyczne z instalacją wychwytu dwutlenku węgla oraz turbiną gazową]. Rynek Energii 100(3), 56 62. [4] Chmielniak, T. and E. Sopel: 2008, Analysis of electricity and heat generation in a PEM fuel cell and a concept of evacuation Warsaw University of Technology Slide 24 of 27
z of heat generated in a fuel cell. Archives of Thermodynamics 29 (3), 3 24. [5] Kotowicz, J. and L. Bartela: 2012, Optimisation of the connection of membrane CCS installation with a supercritical coal-fired power plant. Energy 38(1), 118 127. [6] Lewandowski, J. and J. Milewski: 2009, Badania wysokotemperaturowych ogniw paliwowych zasilanych biopaliwami. Projekt badawczy N N513 3057 35, Instytu Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska. [7] Lunghi, P., S. Ubertini, and U. Desideri: 2001, Highly efficient electricity generation through a hybrid molten carbonate fuel cell-closed loop gas turbine plant. Energy Conversion and Management 42, 1657 1672. [8] Milewski, J. and K. Badyda: 2008, Układy trigeneracyjne oparte na ogniwach paliwowych. Termodynamika w nauce i gospodarce I, 89 99. Warsaw University of Technology Slide 25 of 27
z [9] Milewski, J., K. Badyda, Z. Misztal, and M. Wołowicz: 2010, Combined Heat and Power Unit Based on Polymeric Electrolyte Membrane Fuel Cell in A Hotel Application. Rynek Energii 90(5), 118 123. [10] Milewski, J., J. Lewandowski, and A. Miller: 2008a, Reducing CO 2 emissions from a coal fired power plant by using a molten carbonate fuel cell. In: ASME Turbo EXPO, Vol. 2. pp. 389 395. [11] Milewski, J., J. Lewandowski, and A. Miller: 2008b, Reducing CO 2 emissions from a gas turbine power plant by using a molten carbonate fuel. Chemical and Process Engineering 29(4), 939 954. [12] Milewski, J., M. Wołowicz, K. Badyda, and Z. Misztal: 2011, Operational characteristics of 36kW PEMFC-CHP Unit. Rynek Energii 92(1), 150 156. [13] Milewski, J., M. Wołowicz, K. Badyda, and Z. Misztal: 2012, Warsaw University of Technology Slide 26 of 27
z 36 kw Polymer exchange membrane fuel cell as combined heat and power unit. ECS Transactions 42(1), 75 87. [14] Miller, A. and S. Kiryk: 1999, Perspektywiczne technologie wodorowe w energetyce. Program badawczy WE-NET. Gospodarka Paliwami i Energią 12. [15] Sałacinski, J.: 2007, Dobór parametrów projektowych układów hybrydowych z ogniwem typu. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska. Warsaw University of Technology Slide 27 of 27