Akumulacja energii z technologii OZE jako sposób na urynkowienie tych źródeł Dobiesław Nazimek e-mail: dobieslaw.nazimek@up.lublin.pl Katedra Energetyki i Pojazdów, Wydział Inżynierii Produkcji Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, 20-950 Lublin, ul. Akademicka 13
Wykorzystać wiatr...
Wykorzystać wiatr... Zalety elektrowni wiatrowych: czysta ekologia -nie jest potrzebne jest paliwo, zmniejszają emisję CO 2 do atmosfery, możliwość zamontowania turbiny w miejscu oddalonym od krajowej sieci energetycznej, zmniejszenie kosztów energii elektrycznej przy turbinie w gospodarstwie domowym. Wady elektrowni wiatrowych: mogą wpływać na klimat lokalny, mogą zmniejszać prędkość wiatru, wymuszają utrzymanie pewnej rezerwy mocy w tradycyjnych elektrowniach, gdyż są uzależnione od warunków pogodowych, są zagrożeniem dla ptaków zabijają ptaki i zakłócają ich nawigację, są zagrożeniem dla zwierząt wiatraki emitują drgania, wiele zwierząt opuszcza tereny farmy szpecą krajobraz (szczególnie farmy wiatrowe), emitują hałas, wysokie koszty zainstalowania 1 MW.
Inne zalety Zalety siłowni wiatrowych. Turbiny wiatrowe nie powodują zanieczyszczanie środowiska naturalnego. Wytworzenie energii w turbinie wiatrowej nie wiąże się z jakąkolwiek emisją trujących związków do atmosfery, nie zostają także żadne odpady. Wiatr to odnawialne źródło energii, dzięki temu oszczędzamy na paliwach, procesach wydobywania oraz późniejszego transportu. Sąsiednie tereny mogą być wykorzystywane jako tereny rolnicze. Energia z elektrowni wiatrowych jest stałego kosztu, a konkurencyjność ekonomiczna tego rodzaju OŹE względem konwencjonalnych źródeł energii stale wzrasta. Stosunkowo niewielkie straty w przesyle energii z elektrowni wiatrowej do odbiorcy. Nie ma znaczenia czy budujemy siłownie wiatrowe zaraz obok użytkownika czy też w miejscu odległym od niego, w przypadku energetyki konwencjonalnej wiąże się to z odpowiednim przyłączem do sieci. Proces obsługi elektrowni wiatrowej jest dość prosty, czas montażu bardzo krótki, podobnie jak koszty eksploatacji i obsługi, które także są dość niskie.
Inne wady Wady siłowni wiatrowych. Budowa instalacji wiatrowych w naszym kraju kosztuje 5-7 mln zł za 1 MW zainstalowanej mocy - wynika z raportu o energetyce wiatrowej w Polsce, który powstał przy współpracy Polskiej Agencji Informacji i Inwestycji Zagranicznych. Z dokumentu wynika, że największy koszt to sama turbina wiatrowa - ok. 80 proc. inwestycji. Pozostałe wydatki to m.in.: budowa dróg dojazdowych i fundamentów pod konstrukcję (w sumie 7 proc. kosztów). Inwestor musi również w wydatkach uwzględnić koszty przyłączenia do sieci (ok. 6 proc. całości), koszt projektu (ok. 4 proc.); w przypadku farm wiatrowych dochodzi jeszcze wewnętrzna sieć energetyczna (1 proc.) oraz m.in. ubezpieczenie (1 proc.). Z raportu wynika, że koszty eksploatacji przykładowej farmy wiatrowej o zainstalowanej mocy 40 MW sięgają 7 mln zł rocznie. Połowę pochłania serwis urządzeń i zarządzanie farmą (ok. 3,4 mln zł); podatek od nieruchomości lub opłaty dzierżawne to 18 proc. (1,2 mln zł). Ok. 16 proc. (ok. 1,1 mln zł) to koszty tzw. bilansowania energii, zależne od warunków pogodowych. Ponad 10 proc. kosztuje ubezpieczenie (720 tys. zł), 5 proc. - energia na potrzeby własne (ok. 330 tys. zł).
Nakłady na OZE
Akumulacja energii jako sposób na obniżenie kosztów Sprężone powietrze. Duże elektrownie z turbinami gazowymi korzystają ze sprężonego powietrza jako sposobu na magazynowanie energii. W nocnej dolinie (tj. w ciągu nocy, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest najniższe) generator turbozespołu gazowego (sprężarka, turbina, generator) pobiera z sieci energię elektryczną i produkuje sprężone powietrze. W dzień, to sprężone powietrze jest wykorzystywane w produkcji energii elektrycznej, dzięki czemu sprężarka pobiera mniej mocy i więcej mocy idzie na napęd generatora. W przypadku małych instalacji, sprawa jest trudniejsza. Po pierwsze, sprężarki małej mocy mają niższą sprawność niż duże a więc więcej energii jest tracona w różnych stratach. Po drugie, w większości przypadków, sprężone powietrze jest w domu bezużyteczne, bo nie ma co z nim zrobić. Pomijając zastosowanie mikroturbin (bardzo kosztowne urządzenia), sprężone powietrze może posłużyć np. do napędu pistoletu lakierniczego.
Akumulacja energii jako sposób na obniżenie kosztów Magazynowanie poprzez podnoszenie wody Analogicznie jak w przypadku sprężania powietrza istnieją tak zwane elektrownie szczytowo-pompowe wyposażone w tzw. pompoturbiny, które nocą pompują wodę do wyżej położonego zbiornika. W okresie nagłego wzrostu zapotrzebowania woda jest z niego spuszczana, służąc do produkcji prądu. W przypadku zastosowania przydomowego małej mocy, znów sprawa jest trudna i wątpliwa. Bo pomijając miejsca, gdzie zbudowana jest mała elektrownia wodna, trudno wyobrazić sobie małe turbiny wodne, montowane w domu.
Akumulacja energii jako sposób na obniżenie kosztów Magazynowanie poprzez energię kinetyczną. Przez krótki czas można magazynować energię w postaci energii kinetycznej wirującego koła zamachowego. Takie rozwiązanie jest stosowane często w silnikach spalinowych (o mniejszej niż 6 liczbie cylindrów) do wyrównywania ich pracy, więc technologia ta jest w miarę dobrze opanowana. Ale poza nielicznymi zastosowaniami (np. w samochodach hybrydowych) na większą skalę raczej się one nie pojawiają.
Akumulacja energii jako sposób na obniżenie kosztów Wodór Jednym ze sposobów produkcji wodoru jest elektroliza a paliwo to nadawałoby się do spalania w zwykłym silniku spalinowym, gdyby pominąć fakt, że jego liczba metanowa jest bardzo niska. Wodór w ten sposób otrzymywany do zasilania agregatu prądotwórczego należałoby używać do produkować gdy energii jedynie w połączeniu np. z gazem drzewnym. Ale można jeszcze inaczej...
Zmiana paradygmatu Cel technologii. Celem technologii powinno być zwiększenie produkcji energii elektrycznej a nie zastąpienie energetyki węglowej energetyką opartą o OZE lub niekonwencjonalne źródła energii. W tym celu opracowano wytyczne do technologii zagospodarowania emisji CO 2 wykorzystując do tego celu energetykę wiatrową w momencie, gdy nie ma zapotrzebowania na odbiór prądu z energetyki wiatrowej (np. noc). Jak wiadomo spadek zapotrzebowania odbiorców mocy nie powoduje (nie może) całkowitego wyłączenia kotłów węglowych, tym samym emisja CO 2 ulega zmniejszeniu lecz nie spada do zera. Przedstawiony projekt zmierza do zagospodarowania tej emisji w produkt rynkowy powodując zmniejszenie kosztów energetyki wiatrowej a więc jej urynkowienia a także nie zmniejsza, bo nie zastępuje mocy elektrowni konwencjonalnych, powiększając poprzez to całkowitą moc zainstalowaną dotychczasowe rozwiązania jedynie zastępują część mocy elektrowni węglowych nie powiększając całkowitej mocy systemu.
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Przykład możliwości systemu (założenia): Moc wiatraka 1MW Czas pracy w systemie akumulacji 1 godzina dziennie. Zainstalowane systemy elektrolizerów 1 jednostka L2 o wydajności maksymalnej wodoru 600 m 3 /h. Całkowite zapotrzebowanie na energię (pełna moc) elektrolizer + peryferia na elektrolizer < 4,5 kwh/m 3 (rzeczywista wartość an elektrolize dla L2 to 0,833 kwh gdyż elektrolizie poddaje się roztwór KOH a czystą wodę, co zmienia wartość równoważnika elektrochemicznego). Strumień wody (przy maksymalnym obciążeniu) 600 dm 3 /h Gazy reakcyjne pochodzące z elektrowni a nie zawierające SO 2 oraz NO x o składzie 18% CO 2, 2% O 2, 80% N 2. Katalityczny system syntezy pracujący auto-termicznie a otrzymany nadmiar energii jest przeznaczony na oddzielenie metanolu od wody w procesie destylacji.
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Obliczenia wraz komentarzem: Reakcje i energia procesu: W reaktorze syntezy przebiegają reakcje: CO 2 + H 2 = CO + H 2 O (+ 40 kj/mol) (1) CO + 2H 2 = CH 3 OH (-90,73 kj/mol) (2) Dodatkowa reakcja to: H 2 + 0,5O 2 = H 2 O (-241,99 kj/mol) (3) Reakcja (3) zużywa wodór ale dodatkowa, wysoką wartość entalpii jest pożytkowana do dalszych procesów technologicznych. Dla prostoty obliczeń w przykładzie pominięto tą wartość jako energię konieczną całkowicie zużytą w procesach. Dla przejrzystości obliczeń wykazano jedynie energię pochodzącą z procesu syntezy metanolu a więc z reakcji (1) oraz (2).
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Obliczenia wydajności systemu: 1MW = 1 MJ/s = 1000 kj/s czyli przez 1 godzinę mamy 3600000 kj. Dla elektrolizerów typu L2 rzeczywista wielkość zużyta na elektrolizę wody (tak naprawdę to KOH) to 0,833 kwh/m 3 wodoru (całkowita poniżej 4,5 kwh/m 3 ). 0,833 kwh/m 3 *3600 = 2988,8 kj/m 3 (przez 1 godzinę). Dzieląc 3600000 kj/2988,8 kj/m 3 otrzymujemy objętość wyprodukowanego wodoru z jednego 1MW w ciągu 1 godziny tj. 1200,04 m 3 H 2. Z prawa Avogadro wiemy, że 1 mol dowolnej substancji w fazie gazowej zajmuje objętość 22,4 dm 3 co oznacza, że 1200,04 m 3 H 2 zawiera 53573,214 moli wodoru (1200,04*1000/22,4). Z zapisu procesu wiemy, że na 1 mol CO 2 zużyte zostają 3 mole wodoru. Dzieląc 53573,214 mola wodoru przez 3 otrzymujemy konieczną do reakcji ilość moli CO 2 a tym samym także ilość wyprodukowanego metanolu. Tak więc przy przebiegu reakcji (1) oraz (2) i 100% konwersji otrzymujemy 17857,738 mola CH 3 OH (i tyleż zużytego do procesu CO 2 ). Masa molowa wyrażona w gramach to dla CO 2 44g, zaś dla metanolu 32g. Mnożąc ilość moli przez ciężar cząsteczkowy otrzymujemy masę substratu CO 2 oraz produktu - metanolu. Dla metanolu daje to 0,5714476 Mg/h (17857,738 *32/(1000*1000) w przypadku CO 2 jest to 17857,738 *44/(1000*1000) = 0,78574 Mg/h). W czasie 1 godziny układ zużywa 1200 dm 3 wody. W procesie powstaje woda (masa molowa w gramach = 18g) a ze stechiometrii reakcji wynika, że jest to ilość moli równoważna metanolowi czyli (17857,738*18)/(1000*1000) = 0,321144 Mg/h (czyli 0,3211 m 3 ). Wyprodukowana energia cieplna z systemu to nie mniej niż 905,923 MJ/h (wynika to z entalpii reakcji od (1) do (3)). Temperatura syntezy metanolu to ok. 523K, więc gazy konieczne do procesu należy podgrzać jedynie 393K co oznacza, że reakcje od (1) do (3) mogą biec auto-termicznie (bez dostarczania energii z zewnątrz). Temperatura wrzenia metanolu to 337,6K, a więc energia do procesu destylacji jest niska (woda - 373K) a mieszanina z wodą nie jest azeotropowa. Oznacza to, że w prostym procesie destylacji otrzymujemy 100% metanol.
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Ekonomia systemu - dane: Koszty elektrolizerów ok. 720000 zł Założono, że koszt własny produkcji 1MWh energii elektrycznej to 420 zł, koszt zużytej wody (przy stawce 5,23 zł za 1 m 3 ) to 6,276 zł. Maksymalne możliwe zużycie energii (dodatkowe urządzenia i systemy wspomagające to założony 1 MWh. Przychody z tytułu wdrożenia system (w założeniach nie uwzględniono ceny CO 2 ): Cena rynkowa 1 Mg metanolu to 1200 zł. Praca systemu przez 1 godzinę daje 685,74 zł przychodu. Zakładając prace przez 365 dni w roku jedynie przez 1 godzinę dziennie daje to 250294 zł/rok. Od przychodu należy odjąć nie tylko koszt wytworzenia 1MWh ale również cenę zużywanej wody (ale tylko jej część, gdyż ok. 0,321 m 3 jest zawracana z procesu destylacji). Należy odjąć również jednorazowy koszt chemikaliów (woda musi być alkalizowana KOH do ph ok. 13-14 tj. roztwór 10-1 do 1 mola/dm 3, ale chemikalia są w obrocie więc się nie zużywają). Jednorazowy koszt chemikaliów to 14 zł/kg KOH przy 1200 dm 3 wody daje to (nawet przy ph roztworu rzędu 14) 67,332 kg czyli 942,65 zł. Być może należy odjąć koszt pozyskania CO 2, ale można sobie wyobrazić odwrotną sytuację gdzie sprzedający płaci kupującemu lub całość operacji jest bez kosztowa. Najprawdopodobniej największym obciążeniem wsadowym jest koszt samych elektrolizerów oraz układu destylacyjnego.
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Przybliżona ekonomia pracy instalacji
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Krytyczna wartość K i = CO 2 /CH 2 = 0,3333
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Zalety systemu: 1. Technologia powoduje zwiększenie produkcji energii elektrycznej a nie zastąpienie energetyki węglowej energetyką opartą o OZE lub niekonwencjonalne źródła energii. 2. Technologia zagospodarowuje emisję CO 2 wykorzystując do tego celu energetykę wiatrową w momencie, gdy nie ma zapotrzebowania na odbiór prądu z energetyki wiatrowej (np. noc). 3. Zagospodarowania tej emisji w produkt rynkowy - metanol powoduje zmniejszenie kosztów energetyki wiatrowej a więc zbliża ją do jej urynkowienia. 4. Technologia nie zmniejsza, bo nie zastępuje mocy elektrowni konwencjonalnych, powiększając poprzez to całkowitą moc zainstalowaną. 5. Dotychczasowe rozwiązania jedynie zastępują część mocy elektrowni węglowych nie powiększając całkowitej mocy systemu. 6. Technologia bazując na gotowych i istniejących na rynku urządzeniach technologicznych ma szansę na szybkie wdrożenia w przemyśle.
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2
Nowy system akumulacji energii zmniejszenie emisji CO 2 Do wykonania: Ze względu na specyfikę systemu istnieje konieczność zaprojektowania i zbudowania zupełnie nowej konstrukcji reaktora syntezy metanolu jednostki dostępne na rynku nie mogą być przeciążane więcej ni 25% (tutaj musimy mieć jednostki dające się przeciążyć w obie strony o 400%) oraz takie, które zawierają katalizator utlenienia wodoru do wody a także katalizator syntezy metanolu. Nowy typ reaktora powinien uwzględniać odmienny od tradycyjnie istniejącego rozkład energii cieplnej wewnątrz jednostki i w katalizatorach.
Czym jest proponowana technologia...
Dziękuję za uwagę
Akumulacja energii z elektrowni wiatrowych jako sposób na urynkowienie tych źródeł Dobiesław Nazimek e-mail: dobieslaw.nazimek@up.lublin.pl Katedra Energetyki i Pojazdów, Wydział Inżynierii Produkcji Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, 20-950 Lublin, ul. Akademicka 13