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
