82 Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace

1/82

Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace spalovací pístové motory plynové mikroturbíny ORC cyklus palivové články Stirlingův motor

2/82

Teplárenské zdroje

velké centralizované zdroje energie

uhlí, jádro

provoz v základním zatížení

ekonomika velkých zařízení

3/82

Teplárenské zdroje

decentralizované

eliminace přenosových ztrát

pružná záloha, snadná a rychlá regulace – nezávislost spotřebitelů na dodávce energie z veřejné sítě

za předpokladu využití tepla – vyšší využití paliv, teplárenská výroba

malé výkony, technologický vývoj, v minulosti špatná ekonomika

malá kogenerace

do 1,5 MWe

mikrokogenerace

do 50 kWe

4/82

Malé teplárenské zdroje

5/82

Kogenerace v decentrálních zdrojích

řízení podle dodávky tepla

regulace jednotky podle potřeby tepla objektu (podle venkovní teploty, profilu užívání)

produkce elektrické energie jako vedlejší produkt

řízení podle požadavku dispečinku el. soustavy

krytí špičkového zatížení dané lokality

v kombinaci s akumulací tepla

6/82

Spalovací pístové motory

pístové motory

vycházejí z automobilových motorů:

vznětové (kapalné palivo) – účinnost až 45 % (vysokotlaké)

plynové – účinnost okolo 40 %, spalování chudé směsi, přebytek spalovacího vzduchu 2, nízké emise

mechanická práce využita pro pohon generátoru – výroba el. energie

odpadní teplo využito pro teplárenské účely

požadavek na životnost a provozní spolehlivost – nízkootáčkové stroje, masivní, stacionární

pro spalovací motory se vžil název „ kogenerační jednotky“

7/82


palivo

zemní plyn

bioplyn (ČOV, zemědělská výroba)

skládkový plyn

kapalná paliva (horské oblasti)

požadavek na ušlechtilé palivo:

čištění bioplynu (od síry)

dřevoplynu (od pevných částic)

8/82


9/82


využití odpadního tepla

chlazení mazacího oleje: výměník olej/voda

chlazení bloku motoru: výměník voda/voda

chlazení výfukových plynů (až 450 °C): výměník spaliny/voda: 50 % výkonu

10/82


11/82


malé jednotky

2 až 4 válcové provedení, kontejnerové jednotky

asynchronní generátory, paralelní provoz se sítí

dvojstupňový provoz (on/off), automatický start a zastavení

velké jednotky

12 až 18 válců, samostatně odhlučněné prostory

synchronní generátory, 4 pólové (1500 ot/min), 6 pólové (1000 ot/min)

paralelně nebo nezávisle na síti

řízení provozu dle zatížení

12/82


soustrojí kogenerační jednotky

generátor, el. rozvaděč

akumulátorové baterie – startování motoru

výfuk spalin – tlumič výfuku, snížení rychlosti proudění spalin

13/82

Spalovací motory – parametry

výkon

výkony od x0 kW do x MW

14/82


výkon

elektrický výkon svázaný s tepelným výkonem

chladicí věže, nouzové chladiče (výměníky) pro přebytečný tepelný výkon

větší rozsah než u PT, účinnost dramaticky neklesá

15/82


technické parametry

pro zdroje v menších soustavách CZT

provozní teploty do 150 °C (teplovody, výjimečně parovody) – vytápění, ohřev vody (90 / 70 °C)

možnost častých, opakovaných a rychlých startů a odstávek

větší rozsah regulace výkonu

větší než u plynové turbíny bez významného snížení účinnosti

využití pro vykrývání denních diagramů zatížení místních odběrů el. energie x vykrývání odběrů tepla

16/82

Spalovací motory – dimenzování roční diagram dodávky tepla

kontinuální dodávka tepla – dimenzování na odběr v letním období kogenerační jednotka jako výkonově doplňkový zdroj

17/82

Spalovací motory – dimenzování

špičková výroba elektrické energie (16, 12, 8 hodin) řízení dodávek do el. sítě dimenzování na větší odběr, využití akumulace

18/82

Spalovací motory – dimenzování denní diagram dodávky tepla

využití akumulace v době chodu motorů se nabíjí přebytkem tepelného výkonu v době odstávky se naakumulované teplo využívá ke krytí potřeb odběrů

19/82

Spalovací motory – schéma

20/82


provozní ukazatele

21/82


výhody

možnost rychlého najetí a odstávky

vysoké účinnosti i u výkonově menších jednotek

modulové uspořádání

jednoduchá instalace

malé prostorové nároky

22/82


nevýhody

spalování pouze ušlechtilých paliv

vysoká hlučnost a vibrace

pružné uložení na základ

kontejnerové odhlučněné provedení, zvuková izolace strojovny

tlumiče hluku ve výfukovém potrubí, v přívodu větracího vzduchu do strojovny

častý servis – opotřebení mechanických součástí

spotřeba mazacích olejů, vzduchové filtry, svíčky - výměna

23/82


využití

okrskové, nebo areálové plynové kotelny

energocentra obchodních, nemocničních, plaveckých, sportovních a administrativních komplexů, průmyslové podniky

vysoká a rovnoměrná potřeba tepla, vysoká potřeba elektrické energie, potřeba na chlazení

školská zařízení x letní provoz

čistírny odpadních vod, skládky komunálních odpadů, bioplynové stanice

kalový plyn, bioplyn

potřeba tepla a elektřiny pro provoz ČOV a bioplynové stanice

24/82

Plynové mikroturbíny

plynová turbína

vysoko-otáčkové soustrojí, 100 000 otáček/min

jednostupňový radiální vzduchový kompresor - jednostupňová radiální turbína - generátor elektrického proudu na společné hřídeli

výkony x0 kW až x00 kW, teplárenský modul 0,5 až 0,7

tepelný výměník ve spalinách - odpadní teplo využito pro teplárenské účely (200 až 300 °C), pro předehřev spalovacího vzduchu (rekuperace)

palivo

zemní plyn, bioplyn

tlak min. 0,4 až 0,8 MPa, > STL (0,4 MPa): nestačí – plynový kompresor

25/82


rekuperace

26/82


27/82


28/82


oproti klasickým plynovým turbínám

vysokofrekvenční generátor, vysoké otáčky, není nutná převodovka

vysoké otáčky, snadnější odhlučnění

vzduchová ložiska, bez mazání, bezolejové hospodářství

minimální údržba

servis

vzduchový filtr, zapalování, trysky

generální oprava 60 000 PH

výrazně nižší provozní náklady než u spalovacích motorů

29/82


30/82


31/82


výkonové parametry

výkony od x0 kW do x00 kW

účinnost 20 až 30 %

teplárenský modul zpravidla 0,5 až 0,7

32/82


výhody

možnost rychlého najetí a odstávky (desítky sekund)

kompaktní provedení

nízká hmotnost

vysoká provozní spolehlivost – jediná točící se součást, vzduchová ložiska, bez potřeby mazacího oleje

provoz při částečném výkonu - dobrá regulace do 50% zatížení

nízké emise, 10 x nižší emise NOx než u spalovacích motorů

nízké provozní náklady

33/82


nevýhody

nízká účinnost výroby elektrické energie 20 až 30 % – přídavná práce na kompresor

nízká celková účinnost – rekuperace tepla pro ohřev vzduchu

při výkonech pod 50 % rapidně klesá účinnost

cena

34/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

parní cyklus

modifikace Rankin-Clausiova oběhu

liší se pracovní látkou pro turbínu – organické (uhlovodíkové) sloučeniny – odpaření při nízkých teplotách / tlacích

poskytují vyšší účinnost cyklu pro jednoduchou jednostupňovou turbínu

silikonový olej, alkany, freony, pentan, propan, toluen, čpavek – nekorozivní, neagresivní, bez úpravy, hořlavé látky

využití tepla pro vytápění, ohřev vody (nízké teploty)

palivo

palivo s nízkou výhřevností: biomasa

geotermální energie, sluneční energie, odpadní teplo (!)

35/82

Organický Rankinův cyklus (ORC) bez rekuperátoru T

expanze do oblasti přehřáté páry – rekuperace tepla !

s

36/82

Organický Rankinův cyklus (ORC) s rekuperátorem T

s

37/82


38/82


K

ekonomizér

výparníky

39/82


ORC soustrojí

olejová strojovna

kotel

40/82


41/82


účinnost závisí na

teplotě termooleje

teplotě chladicí vody

účinnosti rekuperace

termodynamické účinnosti turbíny

komerční jednotky 200 až 1500 kWe

16 až 18 % při 300/250 °C (olej) a 60/80 °C (voda)

42/82


43/82

Organický Rankinův cyklus (ORC) 30 až 65 kWe 190 až 240 °C dvojitý šroubový expandér

44/82


10 kWe

50 kWe

45/82


výhody

využití při nízkých teplotách primárního zdroje

jednoduchá konstrukce turbíny, vysoká účinnost turbíny i při nízkých výkonech (zatížení)

dobrá regulace soustrojí v celém výkonovém rozsahu

vysoká životnost

nízké otáčky, nízké mechanické namáhání turbíny

nízké teploty a tlaky, běžné konstrukční materiály

odpadá chemická úprava pracovních látek

nízké provozní náklady

46/82


nevýhody

nároky na těsnost

cena

47/82


využití

produkce el. energie z nízkopotenciální energie:

odpadní teplo – technologické procesy

obnovitelné zdroje tepla – geotermální, biomasa, sluneční energie, apod.

48/82

Palivové články

přímá přeměna chemické energie látek na elektrickou

„podobně jako baterie“ ... ALE ...

látky nejsou součástí anody/katody – průběžně přiváděné jako palivo

elektrody jsou pouze katalyzátorem chemických přeměn

bez limitu Carnotova cyklu pro termodynamické oběhy

49/82

Palivové články

kyslíko-vodíkový článek

anoda – elektrolyt – katoda (+ katalyzátor)

anoda

přívod paliva (vodík)

atomy vodíku za přispění katalyzátoru ztrácejí elektrony

elektrony putují vnějším obvodem ke katodě – elektrický proud

katoda

přívod okysličovadla (kyslík)

redukce, atomy okysličovadla přijímají volné elektrony a reagují s kladnými ionty vodíku procházejícími elektrolytem

elektrolyt - kyseliny, zásady, keramiky, membrány – různé typy PČ

50/82

Palivové články

51/82

Palivové články

vodík

vzduch

vzduch voda elektrolyt

52/82

Palivové články

53/82

Palivové články

palivo

vodík

paliva bohatá na vodík: metan, zemní plyn, bioplyn, metanol

úprava paliva – reforming

nízký obsah síry

okysličovadlo

kyslík – produkce vodní páry, CO2 (v případě uhlíkatých paliv)

vzduch – produkce NOx

54/82

Palivové články - druhy

s alkalickým elektrolytem AFC (Alcaline FC)

vodný roztok alkalického hydroxidu (NaOH, KOH)

vodík + kyslík

katalyzátor – platina, nikl, stříbro

citlivé na CO2

provozní teplota 60 až 90 °C

účinnost: 45 až 70 %

výkon: do 20 kW

využití: vojenské aplikace, kosmický výzkum

55/82


s polymerní membránou PEMFC (Proton-Exchange-Membrane)

polymerní (iontoměničová) membrána místo elektrolytu, vodivá pro vodíkové kationty (protony) – nevodivá pro elektrony, hydratovaná (vodivost), sulfonované fluoropolymery

vodík, metanol + kyslík, vzduch

katalyzátor platina

necitlivé na CO2

nízká pracovní teplota do 90 °C (kvůli hydrataci), rychlý náběh


výkon: do 250 kW

využití: mobilní aplikace

56/82


s kyselinou fosforečnou PAFC (Phosphoric Acid FC)

elektrolytem je kyselina fosforečná H3PO4 v matrici z PTFE nebo karbidu křemíku SiC

vodík z parního reformingu fosilních paliv + vzduch

katalyzátor platina

pracovní teploty 150 až 220 °C

účinnost: 35 až 45 %, celková účinnost 85 %

výkon: 50 až stovky kW

využití: kogenerační jednotky, stacionární generátory

57/82

Palivové články - druhy 100 kW PAFC

58/82


s tavenými uhličitany MCFC (Molten Carbonate FC)

elektrolytem je tavenina směsi alkalických uhličitanů (Li, Na, K – vodivé soli) v matrici LiAlO2

vnitřní parní reforming přímo v článku: vodík, CO + vzduch

bez drahých katalyzátorů, neplatinové

pracovní teploty 600 až 700 °C


výkon: do několika MW

využití: kogenerační jednotky

59/82

Palivové články - druhy 300 kW MCFC

60/82


s pevným elektrolytem SOFC (Solid Oxide)

elektrolytem je iontově vodivá keramická membrána ZrO2

vnitřní reforming přímo v článku: zemní plyn, bioplyn, vodík + CO + vzduch

bez drahých katalyzátorů

pracovní teploty 800 až 1000 °C pro zajištění iontové vodivosti membrány


výkon: do několika MW

využití: kogenerační jednotky

61/82

Palivové články SOFC

62/82

Palivové články SOFC 1 – palivový článek 2 – parní generátor, hořák, výměníky 3 – vysokoteplotní izolace

500 až 2000 W !

63/82

Palivové články SOFC

64/82


65/82


výhody

nízké opotřebení

vysoká životnost (desetitisíce hodin)

nepřítomnost pohyblivých částí

tichý chod

spolehlivost

66/82


nevýhody

pomalý náběh

měly by pracovat v trvalém provozu

odstraňování zplodin chemických reakcí: voda, jiné produkty oxidace

udržování optimální teploty

cena – elektrody, pomocná zařízení

67/82

Stirlingův motor

teplovzdušný motor

motor s vnějším spalováním

dva vzájemně propojené zdvihové prostory s rozdílnou teplotou

uzavřený oběh pracovní látky – inertní plyn s vysokou roztažností, např. helium

střídavě se zahřívá / roztahuje objem – ochlazuje se / zmenšuje svůj objem

hnací silou je rozdíl teplotních hladin dvou prostorů (objemů)

dva písty, jeden nebo dva válce – podle modifikace α, β, γ

68/82

Stirlingův motor - modifikace

α

β

γ

69/82

Stirlingův motor - princip

princip modifikace β

přeháněcí (expanzní) píst – vůle mezi pístem a válcem

pracovní (kompresní) píst – utěsněný

písty jsou spojeny klikovým mechanismem – zpoždění o ¼ otáčky (90°)

setrvačník pomáhá překonat mrtvý bod, zajišťuje plynulý chod motoru

chlazení přeháněcí píst ohřev

pracovní píst

70/82

Stirlingův motor - princip přeháněcí píst přemístí plyn do ohřívané části válce plyn se ohřívá, zvětšuje svůj objem a tlak vytlačuje pracovní píst do horní úvrati roztáčí se setrvačník

přeháněcí píst začíná přesouvat plyn do chlazené části válce

71/82

Stirlingův motor - princip přeháněcí píst přemístil plyn do chlazené části válce plyn se ochlazuje, zmenšuje svůj objem a tlak

pracovní píst je v dolní úvrati přeháněcí píst začíná plyn přesouvat do ohřívané části válce, kde se znova ohřívá celý cyklus se opakuje

72/82


73/82


modifikace α

koncepčně nejjednodušší

každý píst ve vlastním válci

regenerátor

potřeba velkého rozdílu teplot

nejpoužívanější modifikace

expanzní válec

kompresní válec

74/82


modifikace β

klasická modifikace patentovaná R. Stirlingem

oba písty v jednom válci

problém s utěsněním ojnice v pístu

vývoj SM s volným pístem

75/82


modifikace γ

vlastně β ve dvou válcích

ohřívá se část přeháněcího válce

chladí se zbytek přeháněcího válce a pracovní válec

pouze jako modely

76/82

Stirlingův motor

malé výkony

výkon 1 kWe / 6 kWt

dodatkový zdroj – kondenzační kotel

celková účinnost 96 %

teplárenský modul 0,17

Stirling s volným pístem bez klikové hřídele

plyn - helium

77/82

Stirlingův motor

Stirlingův motor s volným pístem

modifikace β

volný píst na teplé straně (expanzní) bez mechanické vazby na píst pracovní

pohyb je buzen diskovými pružinami (membránami)

lineární generátor poháněn jen pracovním pístem – pružné uložení pístní tyče v diskových pružinách

78/82

Stirlingův motor

hlava žebra regenerátor převáděcí píst vodní chladič pracovní píst magnety cívky

lineární el. generátor

79/82

Stirlingův motor

12 000 EUR = 300 000 CZK (bez montáže)

80/82

Stirlingův motor v kotli na pelety

81/82

Stirlingův motor

výhody

dokáže využít jakýkoli zdroj tepla, paliva nevhodná pro pístové motory a spalovací turbíny

s regenerátorem účinnost až 40 % (naftové motory)

tichý chod

vysoká životnost a spolehlivost

bez ventilů

82/82

Stirlingův motor

nevýhody

vysoká teplota ohříváku, vysoký tlak plynu – desítky MPa

malý výkon vztažený ke hmotnosti

problémy s těsností motoru

obtížná regulace výkonu

cena

82 Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace

Recommend Documents