KVET

Ekonomické a ekologické efekty kogenerace
Kogenerace (KVET) – společná „výroba elektřiny a dodávka tepla“ -zvyšuje využití paliva.
Velká KVET – teplárenství.
Malá KVET - parní, plynová, paroplynová, palivové články.
Točivá redukce – KVET pomocí náhrady redukčního ventilu strojem (objemovým nebo
dynamickým), který umožní využít potřebou redukci tlaku pracovního
média (obvykle vodní páry) ke konání práce (dodávce el. energie)
Princip kogenerace: Pokud obsahuje nositel energie velký podíl exergie probíhá
transformace na elektrickou energii, při poklesu na nejnižší možnou ale ještě prodejnou
kvalitativní úroveň, je zbývající tepelná energie, obsažená v pracovním médiu (nejčastěji vodní
pára) prodána vhodnému odběrateli, který až na výjimky využívá zejména kondenzační teplo
dodávané páry.
Hodnocení ekonomické výhodnosti kogenerace
KVET spojuje z kvalitativního hlediska dva zcela zásadně odlišné procesy:
a) transformaci tepelné energie na energii elektrickou, (vždy omezená), její míru určuje
teplotní rozsah pracovního média v tepelném oběhu.
b) transformaci tepla z jednoho média na druhé, která je z kvalitativního i kvantitativního
hlediska téměř bezeztrátová
Proto je při provozu KVET nevhodné používání tzv. účinnosti teplárenského procesu ve tvaru:
η
T
=
P
+ Q
Q pal
d
Zdůvodnění:
1) Jedná se o dvě kvalitativně odlišné energetické transformace realizované v jednom tepelném
cyklu, respektive v několika cyklech, které jsou ale spolu funkčně svázány
2) Kvantitativní i kvalitativní parametry obou transformací se často velmi výrazně případ
od případu liší.
3) Ani jedna z takto získaných energetických forem (elektrická energie a tepelná energie)
se po transformaci nedá ve větší míře „skladovat“ a proto je obvykle jedna z nich,
(dodávka tepla nebo výroba elektrické energie) zejména u velkých zdrojů, prioritní.
Pojem účinnosti kombinované výroby by neměl být vůbec používán vzhledem k tomu,
že u každé ze společně transformovaných energetických forem znamená pojem
účinnost něco zcela odlišného
Jediným, obecně platným a nezpochybnitelným ukazatelem, rozhodujícím o
konkurenceschopnosti KVET je její ekonomická výhodnost posuzovaná v konkrétním
čase a prostoru z hlediska její případné realizace.
Určitým způsobem může ekonomickou výhodnost KVET ovlivnit a také v mnoha státech
ovlivňuje i státní energetická politika prostřednictvím zákonů i různých forem dotací. V ČR.
zákon č.406/2000 Sb. a vyhlášky č.150/2001 Sb. a 212/2001 Sb.
p
2
1
h (kJ/kg)
x=
0
Točivá redukce
Náhrada redukčního ventilu točivou redukcí
Při požadavku stejného odebíraného tepelného výkonu po náhradě redukčního ventilu točivou redukcí platí:
Qt = m.(h1 − h2/ ) = m* .(h3 − h2/ ) = (∆m + m).(h3 − h2/ )
m


Pi = m * .(h1 − h3 ) = m *  h1 − h 2/ − * .(h1 − h2/ )
m


Po úpravě:
Pi = M* .(h1 − h3 ) = (m* − m).(h1 − h2/ ) = ∆m.(h1 − h2/ ) = ∆Qpal
Jak ovlivní tato rovnice nejvhodnější volbu točivé redukce (investiční náklady versus
termodynamická účinnost stroje)?
Jak ovlivňuje dosažená termodynamická účinnost stroje přídavné náklady na palivo, vyjádřené v kW v
porovnání s vnitřním výkonem stroje Pi [kW] ?
Pístová kogenerační jednotka
a) Tlakový diagr. stroje při n = konst.
( regulace průtoku škrcením)
b) Tlakový diagr. při regulaci průtoku změnou
otáček prostřednictvím frekvenčního měniče
Konec plnění
Konec plnění
Konec expanze
Konec expanze
Konec výfuku
90o
HÚ
180o
270o
Úhel natočení klikového hřídele
DÚ
Konec výfuku
360o
90o
270o
360o
Úhel natočení klikového hřídele
HÚ
HÚ
a) Diagram přeplňovaného stroje Diagram
přeplňovaného stroje
180o
DÚ
b) Diagram s optimálním plněním pro
tlakový poměr.
Diagram stroje s optimálním plněním
HÚ
daný
1 ….. Přívodní parní potrubí 2 ….. Kogenerační jednotka 3 ….. Asynchronní generátor
4 ….. Střídač s řízenou frekvencí 5 ….. Střídač s frekvencí 50 Hz 6 ….. Redukční ventil
7 ….. Odběrové parní potrubí
8 ….. Regulátor střídače
9 ….. Třífázová síť
Zapojení KJ při regulaci průtoku (výkonu) změnou otáček.
Rozvoj KVET v budoucnosti je předpokládán zejména aplikací:
a) Organického Rankinova cyklu ( ORC cyklus).
články (Steam cell). d) Palivovými články
b) Mikroturbín c) Parními
ad a) Pracovní látkou je silikonový olej, který má pro daný účel vhodnější thermofyzikální vlastnosti než voda..
Obvyklé výkony Pe = 100 kW – 1 MW. Obvyklý poměr
Pe
σ =
Pt
= 0 , 2 − 0 , 25
Výhody: nižší nároky na materiál, nižší provozní náklady, využití nízkopotenciálních zdrojů tepla.
Nevýhody: složitější technologický systém – nevhodný pro mikrokogeneraci, prozatím vysoká cena (2 pilotní provozy v ČR:
Třebíč, Trhové Sviny 150.000 – 200.000 CZK/kWe). Palivo: „cokoliv“ (vnější spalování), např. biomasa, geotermální nebo
solární energie.
Schéma dvouokruhového
ORC cyklu KVET
ORC oběh je dvoulátkový. V primárním
okruhu se ohřívá termoolej, který předává
ve
výparníku
tepelnou
energii
organickému pracovnímu médiu. Získaná
sytá pára je vedena do turbíny. Expanze
probíhá do oblasti přehřáté páry.
Většina organických látek má (na
rozdíl od vody) kladnou směrnici
křivky syté páry, expanze¨v
turbíně pak probíhá do oblasti
přehřáté páry a otevírá možnost
použití rekuperátoru, který využívá
teplo přehřátí k ohřevu kapalné
fáze a zvyšuje tak účinnost výroby
elektrické energie. Systém je tedy
schopen transformovat energii při
poměrně nízké teplotě.
ad b) Malé kompaktní vysokootáčkové plynové turbíny ( n ≈ 8 . 10 4 1 / min ) elektrický výkon Pe=30W – 200 kW
, σ = 0,5-0,7. Palivo: zemní plyn, odpadní plyny (i méně kvalitní).
Výhody: nízké emise, malá hlučnost, nízké nároky na
údržbu, veliká dynamika změny zátěže.
Nevýhody: závislost na vnějších parametrech (t, p),
vysoká cena: 1.000-1.300 EUR/kWe.
Schéma zapojení mikroturbíny v KVET
Chladící žebra
generátoru
výfuk
výměník
vstřikování paliva
Spalovací
vzduch
Spalovací
komora
generátor
kompresor
Vzduchové ložisko
turbína
palivo
Spalovací
vzduch
Stlačený
vzduch
kompresor
spalovací komora
Regenerační
výměník
turbína
Výfukové
plyny
ad d) Nový typ parního motoru – uzavřený parní cyklus, nízkoemisní hoření bez plamene v keramické pórovité látce – zatím
ve vývojovém stádiu, komerční nasazení se předpokládá do 10 let. Předpokládá se využití v oblasti mikrokogenerace,
např. v jednotlivých bytových jednotkách nebo rodinných domech.
ad e) Palivové články - palivo: vodík, respektive látky obsahující vodík (zemní plyn, bioplyn, methanol)
Výhody: nízké emise, malá hlučnost, nízké nároky
na údržbu, kompaktnost, bez rotujících částí
Nevýhody: vysoké investiční náklady, drahé palivo
Nejčastěji používané typy: -( liší se
použitým elektrolytem a pracovní teplotou)
AFC – Alkaline Fuel Cell zředěný hydroxid draselný
(KOH), pracovní teplota 80-200 °C
PEMFC –Proton Exchange Membrane Fuel Cell
tuhý organický polymer (katexová iontoměničová
membrána), pracovní teplota 80-100 °C
PAFC – Phosphoric Acid Fuel Cell kyselina fosforečná (H3PO4), pracovní teplota 200 °C
MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell tavenina alkalických uhličitanů, pracovní teplota 600 °C
SOFC – Solid Oxide Fuel Cell pevné oxidy vybraných kovů, pracovní teplota 1000 °C
V současnosti je v provozu velmi málo komerčních produktů – hlavně USA, důvodem je zejména vysoká cena (nutné dotace).
Předpokládané využití jednotlivých typů ( USA):
PEMFC – domácí KVET (do 10 kWe), předpoklad komerčního zavedení:.2008
PAFC – již od 1990, stovky kWe,
MCFC – od 2003, řádově 100 kWe až 1 MWe,
SOFC – 10 kWe až 1 MWe,), předpoklad komerčního zavedení:. 2008