Kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET)
VÝHLEDOVÉ PERSPEKTIVNÍ TYPY ZDROJŮ ELEKTŘINY A TEPLA
Kombinovaná výroba elektřiny a tepla je významná z hledisek energetických ekologických společenských
musí však čelit rostoucí konkurenci ze strany oddělené výroby elektřiny v elektrárnách a tepla ve výtopnách
Rozhodujícím motivujícím faktorem pro rozvíjení KVET zůstává úspora paliva, vyplývající z teplárenského principu
Měnící se stimuly pro rozvíjení KVET
dříve bylo i pro účely vytápění hojně využíváno uhlí – centralizace výroby tepla a elektřiny měla významné ekologické aspekty zemní plyn přináší zcela nové podmínky pro opatřování tepla pro V a TUV
Tepelná síť
zatěžuje dodávané teplo
podstatné zvýšení účinnosti malých kotlů pro V a TUV zlepšení lokálních ekologických podmínek úspora pracovních sil
TS v klasickém kanálovém provedení nebo vedená nad zemí se vyznačuje
decentralizovaná výroba tepla pro V a TUV se ukázala jako velmi konkurenceschopná oproti KVET v klasických teplárnách
Decentralizovaná KVET Výhodou centrál pro DKVET je
podstatně levnější se značně menšími energetickými ztrátami s velmi nízkými provozními náklady.
DKVET na bázi spalovacích motorů
absence TS ekonomické přínosy pro provozovatele i na straně opatřování elektrické energie výroba elektřiny v místě spotřeby, bez zatížení energetickými ztrátami při přenosu a transformacích
Decentralizovaná výroba elektřiny přispívá k omezení energetických ztrát vyloučení cenových přirážek za transformaci a distribuci
vysokými energetickými ztrátami vysokými náklady na vybudování a provoz klasickou kompenzací teplotních dilatací
TS na bázi předizolovaných trubek s vnější chráničkou na nižší teploty teplonosné vody
obejde se bez tepelné sítě.
energetickými ztrátami, což se projevuje zmenšením poměrné úspory paliva při KVET investičně a provozními náklady.
má v porovnání s parními teplárnami značně vyšší modul teplárenské výroby elektřiny, což se projevuje příznivě
Nevýhody
z hlediska poměrné úspory paliva ekonomicky - větší podíl ušlechtilejší a tedy dražší energie zvýšené množství škodlivin ve spalinách, především oxidů dusíku (NOx) a oxidu uhelnatého (CO) dosti vysoké provozní náklady (údržba, spotřeba oleje), kratší životnost, hlučnost, hmotnost a rozměry.
Přes tyto nevýhody se DKVET na bázi spalovacích motorů během 10 let velmi rozšířila
1
DKVET na bázi plynových mikroturbín
Plynová mikroturbína
malé plynové turbíny o výkonu 30 až 100 kWe, méně často do 200 až 300 kWe. turbíny tvoří základ kompaktních jednotek pro KVET, neboť jsou standardně vybavovány:
spalinovým kotlem pro dodávku tepla v teplé vodě, měniči frekvence z vysokofrekvenčních elektrických generátorů na 50/60 Hz, plnou automatizací včetně programového spouštění a odstavování atd. většina plynových turbín je vybavena rekuperací tepla uvnitř cyklu
Plynová mikroturbína
Plynová mikroturbína
Plynová mikroturbína
Plynová mikroturbína
2
DKVET na bázi motoru s vnějším přívodem tepla
Nezanedbatelný potenciál pro rozšíření KVET může být získán z mikrocentrál pro KVET v rodinných domech s tepelnými příkony od 5 do 50 kWt. Vhodnou jednotkou v tomto výkonovém segmentu může být motor s vnějším přívodem tepla - Stirlingův motor (StM). Tento motor pracuje v uzavřeném pracovním cyklu s přívodem a odvodem tepla přibližně při konstantní teplotě. přívod a odvod tepla v motoru přes teplosměnnou plochu, vede k výhodám:
demonstrační projekt jednotky Sigma PCP o elektrickém výkonu 3 kWe, tepelném výkonu 9 kWt, s modulem teplárenské výroby elektřiny e = 0,33 a celkovou účinností ηc = 0,95 (při vztažení na horní výhřevnost paliva). Hrubé ekonomické ukazatele:
Teoretickým základem je válec, který obsahuje dva protilehlé písty a regenerátor mezi nimi.
píst kompresního prostoru v dolní úvrati píst expanzního prostoru v horní úvrati (blízko k čelní ploše regenerátoru) veškerá pracovní tekutina je v tomto okamžiku v chladném, tedy kompresním prostoru
Během komprese (proces 1 - 2)
kompresní píst se pohybuje směrem k horní úvrati píst v expanzním prostoru zůstává stát. pracovní látka se stlačuje v kompresním prostoru, tlak roste
Princip činnosti Stirlingova motoru
V procesu 2 – 3
stlačená pracovní tekutina se přemísťuje z kompresního prostoru přes regenerátor do expanzního prostoru, aniž by změnila svůj objem. dochází vlivem ohřevu v expanzním prostoru ke vzrůstu teploty a tlaku tekutiny kompresní píst přitom dorazí do své horní úvrati expanzní píst se pohybuje směrem od regenerátoru.
V další fázi (3 - 4)
Na počátku cyklu je
regenerátorem se myslí určitá „termodynamická houba", alternativně uvolňující a absorbující teplo. jeden ze dvou objemů mezi regenerátorem a písty se nazývá expanzní prostor a udržuje se při určité vysoké teplotě Tmax. druhý objem se nazývá kompresní prostor a udržuje se při určité nízké teplotě Tmin. předpokládáme proto existenci teplotního spádu (gradient) Tmax - Tmin skrze objem regenerátoru
Investiční náklady na jednotku 2800 GBP (933 GBP/kWe). Investiční náklady na srovnatelnou plynovou kotelnu jsou 1200 GBP. Zvýšená investice ve výši 1600 GBP se vrátí za 4 roky.
Princip činnosti Stirlingova motoru
Princip činnosti Stirlingova motoru
velká variabilita v používaných palivech, včetně možnosti využít paliva, které se dosud nepodařilo ve SM úspěšně využít, např. plyn vznikající zplyněním biomateriálů, StM může využívat i jiné zdroje energie (sluneční, geotermální, ...), lze očekávat účinnost vyšší než u klasických SM, podstatně menší úroveň škodlivin, hluku a vibrací, nenáročná údržba a očekávatelná dlouhodobá provozní spolehlivost.
expanzní píst pokračuje až do své dolní úvrati pracovní tekutina se rozpíná za stálého ohřevu při teplotě Tmax, tlak klesá na úroveň bodu 4.
V závěrečné fázi
ohřátá tekutina se vrací opět přes regenerátor do kompresního prostoru za stálého objemu vlivem změny teploty z Tmax na Tmin klesá i tlak na výchozí hodnotu danou bodem 1 a cyklus se opakuje.
Princip činnosti Stirlingova motoru
3
Peletový kotel se Stirlingovým motorem
Peletový kotel se Stirlingovým motorem
Zařízení na bázi ORC ORC = organický Rankinův oběh původně určen pro nízkoteplotní aplikace pracovním médiem jsou organické látky na bázi
Zařízení na bázi ORC
volbou vhodného pracovního média lze posunout pracovní teplotu až k hranici 350 °C a teplo získávat spalováním biomasy pracovní médium nelze ohřívat přímo v kotli spalujícím biomasu – nutno vložit termoolejový okruh
Zařízení na bázi ORC
výhody ORC
chladiv silikonových olejů
malé skupenské teplo pracovního média nižší tlak (10bar) a teplota (350°C) v celém oběhu ⇒ vyšší životnost zařízení nižší otáčky turbíny umožňují přímý pohon generátoru možnost vysokého stupně rekuperace tepla expanze končí v oblasti přehřáté páry - minimální eroze lopatek turbíny velký regulační rozsah (cca 20 až 100% jmenovitého výkonu) poměrně vysoká účinnost i při nízkých výkonech – vyšší než u parního oběhu
nevýhody ORC
drahé a nebezpečné pracovní médium vysoká investiční náročnost
4
Zařízení na bázi ORC
ORC jednotka
Termoolejový kotel – výměníková část
Palivové články
PC umožňují přímý způsob transformace chemicky vázané energie na elektrickou energii a případně i na tepelnou energii PC mají mnoho příznivých vlastností pro energetické transformace, mezi něž patří zejména:
Palivové články
Naproti tomu (dosud známé) negativní vlastnosti:
citlivost k některým příměsím v palivu, případně v okysličovadle, většina PC užívá jako palivo vodík (vyvíjí se PC, která budou zpracovávat i jiná paliva, např. metanol), reforming metanu ze zemního plynu je však endotermická reakce, která pro ideální proces spotřebuje asi 28% energie obsažené v metanu (vztaženo na spalné teplo), skutečná spotřeba energie je proto větší a s těmito energetickými efekty je třeba v cenových bilancích počítat, vysoká cena (očekává se však, že přechodem na hromadnou výrobu se sníží), životnost a spolehlivost není dosud dostatečně prověřena
vysoká účinnost energetické transformace při transformaci na elektrickou energii (40 až 60%, vztažená k výhřevnosti), relativně málo závislá na velikosti jednotky a zatížení (cena i účinnost zařízení na reforming paliva však na velikosti závisí), možnost modulární koncepce a z toho plynoucí snadná možnost velikostního přizpůsobení požadavkům, velmi malé ovlivňování životního prostředí, většina typů PC umožňuje KVET, v podstatě žádné zvláštní požadavky na výběr lokality pro umístění, palivová flexibilita (samozřejmě s nezbytným reformingem), možné rychlé změny zatížení.
Palivové články
Základní princip přeměny energie na energii elektrickou je stejný pro všechny typy palivových článků. Palivové články se liší
použitým materiálem a provedením elektrod, použitými katalyzátory, elektrolyty palivy pracovní teplotou průběhem chemických reakcí na elektrodách,
Podle směru toku iontů elektrolytem se palivové články dělí na
články vodíkové články kyslíkové.
5
Vodíkový článek
Kyslíkový článek
vodík
se přivádí na zápornou elektrodu za pomoci katalyzátoru proběhne oxidace vodíku
dojde k rozštěpení jeho atomů na vodíkové aniony (protony) a elektrony protony procházejí elektrolytem směrem ke katodě elektrony putují ke katodě vnějším elektrickým obvodem na katodě pak dojde k reakci mezi kyslíkem a elektrony za vzniku kyslíkových aniontů, které pak reagují s vodíkovými kationy za vzniku vody
Typy palivových článků
Další možné dělení palivových článků je podle provozní teploty na
články nízkoteplotní (60-130 °C), středněteplotní (160-220 °C) vysokoteplotní (650-1050 °C).
Nejčastěji se palivové články dělí podle použitého elektrolytu.
i zde se vodík přivádí na zápornou elektrodu reaguje s kyslíkovým aniontem, který se do prostoru anody dostal z prostoru katody průchodem elektrolytem, za vzniku vody a volných elektronů elektrony putují vnějším elektrickým obvodem do prostoru katody, kde reagují s kyslíkem za vzniku kyslíkového anionu
Elektrolyty
alkalické články - zředěný roztok hydroxidu draselného (označení AFC z anglického alkaline fuel cell). Alkalické články jsou články kyslíkové, podle teploty se zařazují mezi nízkoteplotní články, účinnost při použití čistého vodíku je až 60 %. články s tuhými polymery - polymerová fólie na bázi uhlíku a fluoru (označení PEFC - proton exchange membráně fuel cell). Tyto články jsou články vodíkové, podle teploty se zařazují mezi nízkoteplotní články, účinnost při použití čistého vodíku je až 60 %. články s kyselinou fosforečnou, jejichž elektrolyt tvoří 100% kyselina fosforečná H3PO4 (označení PAFC - phosphoric acid fuel cell). Články s kyselinou fosforečnou jsou články vodíkové, podle teploty se zařazují mezi středněteplotní články, účinnost při použití čistého vodíku se pohybuje kolem 40 %. články s roztavenými uhličitany - směs roztavených uhličitanů lithného a draselného (označení MCFC - molten carbonate fuel cell). Uhličitanové články jsou články kyslíkové, podle teploty se zařazují mezi vysokoteplotní články, účinnost je až 60 %. články s tuhými oxidy s elektrolytem tvořeným oxidem zirkoničitým s příměsí oxidu yttritého (označení SOFC - solid oxide fuel cell). Články s tuhými oxidy jsou články kyslíkové, podle teploty se zařazují mezi vysokoteplotní články, účinnost je až 65 %.
Elektrody
6
Katalyzátory a paliva
U nízkoteplotních a středněteplotních článků je nutné urychlit reakce na jednotlivých elektrodách použitím katalyzátorů. Nejčastěji se využívají katalyzátory na bázi platiny, případně s přídavkem ruthenia.
Základním palivem je vodík Úspěšně lze využívat ale řadu dalších paliv
plynných
kapalných
plyny s vysokým obsahem metanu (zemní plyn, bioplyn) CO metanol nebo vyšší alkoholy kapalná paliva používaná k pohonu motorových vozidel
nebo i pevných paliv
uhlí některé kovy (např. sodík nebo hořčík).
Srovnání DKVET z hlediska lokálních vlivů na životní prostředí
Možnosti uplatnění
Je velmi důležité, protože tyto zdroje budou nasazovány především ve městech a v jiných, z hlediska životního prostředí, závažných podmínkách Pro plynové mikroturbíny jsou
Perspektiva DKVET a velkých centrál pro KVET
lze očekávat ještě rychlejší prosazení MC-KVET na bázi plynových mikroturbín,
jsou investičně levnější, rozměrově menší, lehčí, značně příznivější z hlediska koncentrace škodlivin ve spalinách (zejména NOx) mají nižší provozní náklady a lze očekávat jejich větší životnost.
Pro výkonový segment KVET pod 20 až 30 kWe a 40 až 50 kW se bude do KVET prosazovat Stirlingův motor. Pro dohledné období se jeví plynové mikroturbíny podstatně výhodnější než PC, neboť
jsou značně levnější přímo spalují zemní plyn, jejich účinnost vztažená na výrobu elektrické energie je při započtení energie potřebné pro reforming srovnatelná, celková účinnost je přibližně stejná, ale se započtením energie spotřebované na reforming může být u plynových mikroturbín i u centrál se SM lepší než u PC
koncentrace NOx ve spalinách velmi příznivé: (ωNOx = 9 až 25 ppm), poněkud méně příznivé z hlediska oxidu uhelnatého: (ωCO = 145 až 240 ppm),
U zážehových SM jsou obecně koncentrace NOx, případně i CO ve spalinách vyšší než u plynových mikroturbín Pro MC-KVET na bázi Stirlingova motoru lze očekávat koncentrace škodlivin ve spalinách na obdobné úrovni jako u plynových mikroturbín, případně i mírně nižší. Centrály pro KVET s PC z hlediska hodnocených škodlivin v produktech je možno považovat za ideální řešení.
Perspektiva DKVET a velkých centrál pro KVET
Přes očekávatelný rychlý rozvoj MC-KVET neztratí velké centrály pro KVET na významu, neboť mají velmi podstatné výhody spočívající:
v možné rozsáhlé diverzifikaci paliv, mohou spalovat vedle uhlí i jiná tuhá paliva (biomasu, TAP) i při spalování tuhých paliv mohou být velmi ekologické
Velké tepelné centrály však bojují s problémy
pokles odběrů v důsledku úspor = fixní náklady a ztráty v rozvodech zvyšují cenu tepla pokles ceny elektřiny velká konkurence ze strany lokální monovýroby tepla z plynu nové ekologické požadavky = vysoké investice
7
