Nové technologie v klasické energetice (Energetika a živ. prostředí

Nové technologie v klasické energetice
seminář ELEKTROENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ 25.9.2001
Ladislav Ochrana, VUT v Brně
Fakulta strojního inženýrství
1. Úvod
Klasická energetika představuje reálný energetický potenciál v širokém výkonovém
pásmu od nejmenších po nejvyšší výkony . Při jejím uplatnění musí být dosaženo .
nízké konkurenceschopné ceny elektřiny a tepla s ohledem na uplatnění na trhu
(liberalizace ) . podlimitních hodnot emisních škodlivin (legislativa) . vysoké provoz
ZIÚ spo1eh1ivosti (tepelná hospodárnost) . vysoké celkové účinnosti transformace
energie s ohledem na nezvyšování koncentrace CO2 (mezinárodní úmluvy).
Srovnání typických různých procesů výroby elektrické energie vůči ideálnímu
Carnotovu cyklu (tj. cyklu v daném rozmezí teplot s maximální účinností) při různých
procesních teplotách je v obr. 1. Oproti současným konvenčním elektrárnám dochází
k nárůstu procesních teplot v parním i plynovém cyklu a tím i zvýšení tepelné
účinnosti.
2. Elektrárny s vysokou tepelnou účinností
Jednotlivé způsoby výroby elektrické energie mají určitá teoretická i praktická
omezení. Vývojové práce programu Clean Coal Technology, zaměřené na moderní
metody využití uhlí jsou směrovány na:
1. jednotky s nadkritickými parametry páry
2. jednotky s tlakovým fluidním spalováním (PFBC)
3. jednotky s integrovaným zplyňováním (IGCC)
I když náklady na tento vývoj jsou značné, jeví se z pohledu hospodárného a
ekologického využívání levného uhlí jako perspektivní.
S klasickými jednotkami založenými na Rankin Clausiově parním cyklu jsou největší
zkušenosti. Zvyšování účinnosti cyklu je u nich v současné době umožněno
především vyšší úrovní materiálového výzkumu.
Rozhodující ovlivnitelné veličiny, ovlivňující účinnost cyklu jsou patrné z obr. 2.
Uvedené klasické jednotky maximálně využívají možnosti nově vyvinutých ocelí na
bázi chrómu a molybdenu s výstupní teplotou páry kolem 600° C a tlaku kolem 30
MPa.
Vysoký počet regenerativních ohříváků vody, při teplotě napájecí vody 320 - 340°C,
2-3° p řehřívání páry , věžové průtočné práškové granulační kotle s hořáky s
potlačenou tvorbou NOx (pod 200mg/m3 u HU), s obsahem CO pod 250 mg/m3 a s
obsahem 1,5-2,5% nespálených Látek v popílku. Při tlaku v kondenzátoru 3,5 kPa a
teplotě chladící vody 100°C .
lze dosáhnout netto účinnosti tepelného cyklu cca 45% při vlastní spotřebě 7,8%
(včetně odsíření) .
Jednotky s tlakovým fluidním spalováním pracují v kombinovaném paroplynovém
cyklu. Celkem je ve světě v provozu asi 10 těchto jednotek. Spalovací proces probíhá
při teplotách 850-950° C a tlaku 1,2 - 1,6 MPa. Odsí ření a denitrifikace spalin se
uskutečňuje v tlakové fluidní vrstvě dávkováním CaCO3 a NH3, takže nejsou nutná
sekundární opatření k redukci NOx a SO2. Spaliny o teplotě 850 - 950° C je nutné
před vstupem na spalovací turbínu účinně vyčistit od tuhých částic v odlučovačích.
Předehřátá pára se vyrábí v tlakové nádobě spalovacího prostoru v ponořeném
přehříváku. Vzhledem k odsíření spalin již v ohništi je možno volit nižší teploty spalin
na konci kotle. Poměr Ca/S je u tlakového t1uidního spalování relativně nízký (1,1-
1,4), emise NOx jsou pod 150 mg/m3. Celkově je tato technologie limitovaná na
straně plynového cyklu teplotou t1uidního lože, která je nepřekročitelná. Z tohoto
důvodu je omezena vstupní teplota spalin do plynové turbíny , v důsledku čehož mají
tyto jednotky max. účinnost 43%. Jejich výhodou oproti granulačním práškovým
kotlům je možnost spalování velmi nekvalitního uhlí a odpadů.
Třetím v současné době rozvíjeným způsobem využití uhlí je integrované zplyňování
uhlí. Podle způsobu zplyňování používají se reaktory s pevným sesuvným Ložem,
reaktory s t1uidním Ložem a reaktory s unášeným Ložem (hořákové zplyňování). Po
zplynění do(;bází k využití plynu v plynové turbíně a následně spalin v parním cyklu.
Obdobně jako u PFBC je i zde s výhodou použít paroplynový cyklus. Základním
rozdílem oproti PFBC je vyšší vstupní teplota produkovaného plynu do spalovací
turbíny a tudíž i potenciální možnost dosažení vyšší tepelné účinnosti cyklu. To
ovšem předpokládá vysokoteplotní čištění plynu, přičemž tento proces zpravidla
zahrnuje odprášení, odsíření, denitrifikaci, případně odstranění alkálií.
U elektráren IGCC se počítá s tepelnou účinností při využití hnědého uhlí cca 46%,
perspektivně se uvádí i vyšší účinnost. Ekologické charakteristiky jsou velmi
výhodné.
Odloučená síra je vhodná ke zpracování v chemickém průmyslu. Výhodou je
nesporně i fakt, že se odstraní spotřeba vápence, k níž dochází při čištění spalin
mokrou metodou ev . ve t1uidních kotlích. Technologie IGCC je poměrně složitá a
představuje rozsáhlý chemicko energetický komplex.
Za základní argument odpůrců fosilní energetiky na bázi spalování se dnes považuje
vznik CO2. Jeho snížení je daleko obtížnější než redukce tuhých Látek, CO, NOx, a
SO2. CO2 je považován za základní skleníkový plyn, který by s ostatními
skleníkovými plyny mohl způsobit globální zvýšení teploty atmosféry o 1,5 - 4,5° C a
tím vyvolat závažné klimatické změny . Reálnou cestou stagnace nebo dokonce
snížení jeho koncentrace je snížení celkové spotřeby fosilních paliv. To lze docílit
zvýšením účinností energetických přeměn nebo snížením energetické náročnosti
ekonomiky. Současná jednání vyspělých států o nezvyšování produkce CO2 v
atmosféře stagnuje, USA nechtějí vkládat do výzkumu finanční prostředky, které by
ovlivnily ekonomickou prosperitu země.
Z uvedeného pohledu produkuje čistou energii současná jaderná energetika
založená na bázi štěpení jader těžkých izotopů pomalými neutrony . Tato technologie
se sice vyznačuje relativně nižší tepelnou účinností přeměny primární energie na
energii elektrickou, neprodukuje však žádné emise ani skleníkové plyny . Současné
jaderné elektrárny se v porovnávají s klasickými zdroji vyznačují enormně nízkou
technickou poruchovostí i nízkými výrobními náklady . Přesto jaderná energetika
dnes naráží na značný odpor , daný politizací problému, neoprávněnými obavami s
velkých provozních havárií a velmi diskutovanou otázkou ukládání radioaktivních
odpadů.
Soudobá jaderná energetika již dnes představuje reálnou konkurenceschopnou
technologii vůči klasické energetice. I když dochází v některých zemích k útlumu
jaderné energetiky, lze v budoucnosti očekávat rozvoj pokročilých jaderných
technologií. Lidstvo se v dlouhodobé perspektivě neobejde bez využívání nových
forem jaderné energie, jako jsou vysokoteplotní reaktory , rychlé množivé reaktory ,
urychlovačem řízené reaktory a další, až po využití jaderné fúze.
3. Kotle s atmosférickou fluidní vrstvou
V posledních asi 20 letech doznaly velkého rozšíření ve světě i u nás. Představují
ověřenou technologii pokrývající oblast výkonu od 50 do 750 t/h, u nás je největším
fluidním kotlem kotel o výkonu 3 50 t/h. Fluidními kotli se řeší též rekonstrukce z
jiných způsobů spalování.
Srovnání řazení jednotlivých provozních souborů u kotle s atmosférickou fluidní
cirkulující vrstvou (ACFB) a práškového co& s mokrou vypírkou spa1in je v obr. 3
Za hlavní výhody kotlů typu ACFB lze považovat:
- možnost ekonomického spalování méněhodnotných paliv s vysokým obsahem
popelovin včetně spalování biomasy a tříděných odpadů,
- účinný odsiřovací a denitrifikační proces bez investičně náročných technologií
čištění spalin za kotlem,
- možnost snižování teploty spalin a tím i rosného bodu spalin odsířených spaliv ,
vedoucí ke snížení komínové ztráty a vyšší účinnosti kotle,
- vyšší spotřebu procesní vody v odsiřovací jednotce.
Za hlavní nevýhody kotlů typu ACFB lze považovat:
- vyšší spotřebu vápence k dosažení stejného stupně odsíření
- delší dobu najíždění a odstavování kotle, menší pohotovost
- obtížnější využitelnost tuhých zbytků po spálení v důsledku obsahu síry . menší
výkonový rozsah
- vyšší obsah CO ve spalinách.
Uvedené kotle většinou pracují v teplárnách s parmími turbínami. K dosažení co
největšího teplárenského modulu prosazuje se zejména u nových systémů použití:
- vyšších parametrů páry na vstupu do turbíny
- přihřávání páry a rozvinutého regeneračního systému ohřevu napájecí vody (
carnotisace cyklu)
- vysokootáčkových parních turbín
- nízkého tlaku páry na výstupu z turbíny . Zde má především význam snížení teploty
vody v systému CZT
Kromě kotlů ACFB používají se též kotle ( většinou výtopenské) se stacionární
(bublinkující) t1uidní vrstvou (AFB). Ve většině případů jedná se o rekonstrukce
menších roštových nebo práškových kotlů v rozsahu 1 - 125t/h. Tyto kotle nejsou tak
rozšířené jako kotle typu ACFB, neboť u malých jednotek (do 5MWt se obvykle
provádí rekonstrukce s náhradou paliva - buď plyn nebo ..méně sirnaté palivo. Limit
2500mg/m3 prakticky znamená při součiniteli přebytku vzduchu 1,4 použití hnědého
uhlí s obsahem síry do cca 0,7% nebo černého uhlí s obsahem síry do 1% v palivu
bez nutnosti rekonstrukce kotle.
4. Paroplynová a plynová zařízeni
Rozvojem kogenerace zvýšil se ve světě i u nás počet plynových a paroplynových
zařízení. Paroplynová zařízení prokazují v závislosti na teplárenském modulu
největší úspory paliva, nízké hodnoty CO a NOx. bez tuhých částic a SO2 ve
spalinách.
Nejdražším zařízením těchto tepláren jsou spalovací turbíny, které prodělávají
radikální změny, související z termodynamickou účinností ( až 60% v kondenzačním
provozu) a s požadavky na životní prostředí. Nové materiály a konstrukce lopatek
umožnily zvýšit teplotu spalin na turbínu na 1250° C, v budoucnu se počítá ještě s
dalším možným nárůstem vstupní teploty. To klade značné nároky na snížení
koncentrace NOx na podlimitní úroveň. Výzkum a realizace moderních spalovacích
turbín probíhá u několika předních výrobců. Používá se spalovací komora leteckého
typu, malé kompaktní vysokootáčkové turbíny s malou zastavěnou plochou /15/.
Zvyšuje se výkon strojů (stovky MW e) a současně snižují měrné investiční náklady .
Alternativním palivem zemního plynu bývají nízkosírnaté lehké topné oleje.
Kotle na odpadní teplo bývají horizontální nebo vertikální s maximálním využitím
teplotního spádu spalin při použití vícetlakých parních okruhů a minimální teploty
spalin do komína. I zde došlo k posunu při používání žebrovaných trubek směrem k
vyšším teplotám spalin.
Značného rozvoje dosáhly kogenerační jednotky s plynovými spalovacími motory.
Používají se většinou při decentralizovaném zásobování teplem. Nejmenší výkony od
několika desítek kW e zabezpečují upravené zážehové automobilové motory, pro
větší výkony až do desítek MW e stacionární vznětové motory . Často pokrývají
provozovateli pouze jeho vlastní spotřebu elektřiny , technicky však mohou též
spolupracovat s nadřazenou elektrizační soustavou.
Zatímco nedávno byly vcelku jednoznačné hranice mezi použitím spalovací turbíny
(pro větší výkony) a spalovacím motorem (pro menší výkony), současný vývoj snižuje
ke zvyšování výkonů stacionárních spalovacích motorů a snižování výkonů
spalovacích turbín. Byla vyvinuta řada mikroturbín o výkonu v desítkách kW e s velmi
příznivými ekologickými charakteristikami a nízkou hlučností. Podstatnou výhodou
mikroturbín oproti spalovacím motorům je nízká hmotnost. Podaří-li se snížit jejich
jednotkovou cenu - např. jejich výrobou v sériích, mohou se stát konkurenty
spalovacím motorům i v menších výkonech.
Velká paroplynová zařízení bývají napojena na SCZT. Toto spojení umožňuje použití
vyšších parametrů páry , vyšších modulů teplárenské výroby elektřiny a úpory
primárního paliva. Zemní plyn má z fosilních paliv nejnižší měrnou produkci CO2 a
má tedy na snížení vypuštění CO2 do ovzduší výrazný vliv . Vypuštění ostatních
škodlivin - CO a NOx je kontrolováno a řízeno, což má pozitivní vliv na ekologickou
zátěž v místě lokality .
Paroplynová zařízení na zemní plyn vznikala u nás v určité euforii v době levného
zemního plynu. Dnes, kdy dochází k stálému nárůstu ceny zemního plynu se toto
promítá do cen energií těchto jednotek a to ještě pod tlakem opatření k liberalizaci
trhu s elektřinou. Tím se dostávají tyto jednotky do obtížné ekonomické situace.
Přitom zejména kogenerace v paroplynových zařízeních a v kogeneračních
jednotkách se vyznačuje největšími ekologickými a ekonomickými přínosy .
5. Palivové články
Jedná se o galvanické články, které přeměňují energii obsaženou v paliv na
elektrickou energii. Tato přímá přeměna neprobíhá Carnotovým cyklem přes II. zákon
termomechaniky, ale přímo. Proto jejich účinnost může být podstatně větší než u
klasických elektráren na fosilní palivo. Zdrojem energie je nejčasněji vodík, který
spolu s kyslíkem může exotermním procesem vyrábět elektrickou energii
prostřednictvím elektrolytu nebo vodní páry . Praktičtějším palivem je zemní plyn,
který musí být v konvertoru procesní jednotky nejdříve rozložen na vodík a oxidy
uhlíku. Výsledný plyn obsahuje asi 80% vodíku. Součástí jednotky s palivovým
článkem je invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu na proud střídavý .
Pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny se jako nejreálnější pro komerční využití
jeví:
- články s kyselinou fosforečnou - PAFC (Phosforic Acid Fuell Cell)
- články z karbonátových tavenin - MCFC (Molten Carbonate Fuell Cell)
- články s keramickými oxidy - COFC (Solid Oxide Fuell Cell)
Schematicky znázorněná balená kogenerační jednotka s palivovými články na zemní
plyn je v obr . 4.
Na výzkumu palivových článků pracuje řada předních firem. V energetice optimisté
předpokládají, že by blokové teplárny s palivovými články ve výkonovém rozmezí do
asi 10MW el byly konkurentem blokových tepláren se spalovacími motory a plynovými
turbínami v perspektivě 20 - 30 let.
Předností palivových článků je vysoká účinnost přeměny primární energie v teplo a
elektřinu (až 80%) a radikální snížení emisí CO (méně jak 10 mg/m3), NOx (méně jak
20 mg/m3) a nespalných uhlovodíků (méně jak 20 mg/m3).
Použití palivových článků by mělo především význam pro decentralizovanou výrobu
elektřiny a tepla. Současně nejnižší cena uváděná pro typ PAFC je 3000,- USD/kW e.
Její snížení závisí především na hromadném nasazení - to je však zatím v ČR ještě
vzdálené od reality .
6. Závěr
Dominantním způsobem výroby elektrické energie v dalších minimálně 50 letech
budou neobnovitelné zdroje - klasické, založené na spalování fosilních paliv a
jaderné zdroje založené na štěpení uranu. Základní typy těchto zdrojů jsou uvedeny
v příspěvku.
Postupně lze očekávat nárůst dalších úsporných technologií, mikroturbín, palivových
článků, využívání různých alternativních a odpadních paliv , event. jiných technologií.
O jejich větším prosazení však budou rozhodovat měrné ceny užitných energií. Ani v
ekonomicky rozvinutých zemích se jejich další rozvoj neobejde bez finanční podpory
státu nebo energetických a strojírenských společností, ať už má tato podpora v
různých státech různé formy.
Literatura
[1] Energetická politika ČR, usnesení vlády ČR č. 50 z r. 2000.
[2] Ochrana L., Krbek J., Polesný B: Moderní způsoby zásobování teplem, ČEA,
1999
[3] Kraftwerke 1999 - Vortrige VGB 1999, VGB - TB 102
[4] Ochrana L.: Nové směry ve vývoji kotlů, Kotle 2000, Brno, 2000
[5] Fiedler, J.: Vývojové trendy v oblasti plynových turbín, Energetika 6/97 , 1997