Kapcsolt hő- és villamos-energia termelés Kogeneráció (CHP)
Tartalom • Bevezetés • A kapcsolt energiatermelés előnyei • Kapcsolt energiatermelés - gőz-körfolyamattal - ORC rendszerrel - gáz-turbinával - belsőégésű motorokkal - Stirling motorral - üzemanyag cellával • Tri-generáció • A kogeneráció alkalmazásának gazdasági kérdései
Energia igények • Hő: • Háztartási: Fűtés, HMV, Főzés • Ipari: Sterilizálás, Desztilláció, Hőkezelés, stb. - állandó, vagy csökkenő • Légkondicionálás és hűtés - növekvő • Villamos energia - növekvő • ( Közelekedés, szállítás - növekvő )
Villamos energia igényváltozás tipikus napi lefutása Magyarországon
Hálózati veszteség Magyarországon ~10%
Háztartási energiaellátás fejlődési irányai Európai Épületenergetikai Irányelv – - European Building Directive (EPBD) • Az épületek jobb hőszigetelése • Hatékonyabb energia felhasználás - ugyanolyan igényszint kielégítés kisebb energia felhasználás mellett • Magas hatásfokú energia termelés, pld. - kondenzációs technika alkalmazása - hőszivattyúk használata - kogeneráció - kapcsolt hő és villamosenergia termelés • Megújuló energiaforrások részarányának növelése • Szigorodó emissziós előírások
Alacsony energiafogyasztású, vagy passzív ház alapelvei
Ipari és távhő rendszerek fejlődési irányai • Energia igények csökkentése - technológia fejlesztése - folyamatok integrálása • Magas hatásfokú energia termelés, pld. - ko-, tri-, vagy poligeneráció, kapcsolt hő- és villamosenergia termelés, hűtés és üzemanyag termelés • Megújuló energiaforrások részarányának növelése • Szigorodó emissziós előírások
Fűtési és klímatizálási igény változása az év során
Energiaigények és források alakulása
Támogatott fejlődési irányok • Energiaigény csökkentése, hatékonyabb energia felhasználás - pld. Európai Épületenergetikai Irányelv (EPBD) • Hatékonyabb energia termelés - Ko-, tri-, vagy poli-generáció (egyidejű hő + villamos + hűtés + bioüzemanyag) • Megújulók részarányának növelése - Biomassza – hő, hűtés, villamos energia, üzemanyag - Nap – hő, hűtés, villamos energia (PV) - Szél, víz, hullám – villamos energia - Geotermikus - hő, hűtés, villamos energia
A kapcsolt energiatermelés (kogeneráció) fő előnye • A kogeneráció (CHP) alatt a kombinált, egy rendszerben és egyidőben történő kapcsolt hő- és villamos energia termelés-t értjük. • Legfőbb előnye, hogy azonos hasznos energia termelés sokkal kevesebb tüzelőanyag felhasználással valósítható meg. A CHP alkamazások négy legfőbb kategóriája: Kisteljesítményű CHP rendszerek: egy vagy néhány lakás, vagy kisebb épület energiaellátására Közepes teljesítményű CHP rendszerek: Ipari, vagy kommunális létesítmények, bevásárlóközpontok, lakóparkok energiaellátására Nagyteljesítményű CHP erőművek: Ipari területek, és/vagy lakóépületek távfűtéses energiaellátására Megújuló alapú CHP rendszerek: bármelyik előző három teljesítményszinten lehet
A kogeneráció legfőbb előnyei • Legfőbb előnye, hogy azonos hasznos energia termelés sokkal kevesebb tüzelőanyag felhasználással valósítható meg! • A villamosenergia, mint elsődlegesen legértékesebb energia termelése során párhuzamosan keletkező hőenergia hasznosításán alapul. • A CHP rendszerek hatékonysága a rendelkezésre álló hőenergia hatékony és hasznos felhasználásától függ. Legelőnyösebb, ahol egész évben folyamatos és közel állandó hőigény jelentkezik. Illetve a rendszer működést a hőigények változása szerint kell szabályozni. • A sok kis és közepes teljesítményű u.n. elosztott villamos energia termelő rendszer által megtermelt villamos energia a termelés helyén, vagy annak közelében kerül felhasználásra, így megspórolható a hálózati veszteség. (~10%). • Az energiatermelés szabályozása az igényekhez igazodóan kell, hogy történjen. Villamos energia termelése igazítható a csúcsidőszakokhoz, illetve létrehozhatók villamosenergia termelésben együttműködő, kifelé nullszaldós u.n. smart-grid-ek.
Tüzelőanyagok osztályozása Halmazállapot • Szilárd
Fosszilis
szenek: fekete-, barnaszén lignit
• Folyékony kőolaj származékok: benzin, kerozin, diesel olaj, fűtőolaj
• Gáznemű
földgáz, PB széngáz
Megújuló biomasszák: fa és mezőgazdasági hulladékok energia növények, hulladékok biomasszák: növényolaj, biodiesel bio-ethanol biogázok: erjesztett biogáz, biomassza elgázosításból származó pirolízis-gáz
Carnot körfolyamat Villamos energia mechanikai munkából termelhető. Hőenergiából mechanikai munka termeléshez körfolyamat szükséges, vagyis a hőenergia nem alakítható teljes mértékben mechanikai munkává. (A mechanika, vagy a villamos energia viszont teljes egészében hővé alakítható.)
wout − win qin − qout qout ηC = = = 1− = qin qin qin T1 ( S2 − S1 ) T1 = 1− = 1− T2 ( S2 − S1 ) T2
A rendszer felépítésének alapelvei A kogenerációs rendszer 4 fő elemből áll: mechanikai energia termelő hőerőgép amely hajtja a generátort. Ezek lehetnek: • kazán és gőzturbina, • gázturbina, • belsőégésű motor • újabb lehetőségek: Stirling motor, vagy üzemanyag cella villamos generátor hőhasznosító rendszer szabályozó rendszer Osztályozás hőerőgép szerint
Hőerőgép Külső tüzeléses Turbina
Motor
Gőzturbina
Gőzmotor
Gázturbina
Stirling engine Kombinált ciklus
Kombinált ciklus ORC rendszer
Belső égésű Szikra Kompresszió gyújtású gyújtású Benzin Diesel motor motor Gázmotor
Energiatermelés Rankine (gőz) ciklussal
[%]
Rankine körfolyamat elméleti és valós hatásfok változása a frissgőznyomás függvényében
50
40
30
20
10
20
40
60
80
100 p
120
140
160
180
200 [bar]
Kapcsolt energiatermelés ellennyomású gőzturbinával A Rankine cikluson alapul, a kondenzációs hő teljes hasznosításával.
A hatásfokok alakulását meghatározó legfőbb jellemzők: a villamos energiatermelés hatásfoka annál nagyobb, minél nagyobb a különbség a turbina belépő és kilépő nyomása és hőmérséklete között (2% - 25%) A nagynyomású rendszer kialakítása azonban költséges. a rendszer teljesítményét a hőigény szabja meg az összhatásfokot a kazánhatásfok határozza meg (~90%) • Csak közepes, vagy nagyteljesítményű rendszereknél alkalmazzák, ahol a gőztermelésre pld. ipari célra mindenképpen szükség van. • Előnye, hogy bármilyen tüzelőanyaggal, akár hulladékokkal is fűthető.
Ellennyomású gőzturbina alkalmazásának energiafolyam ábrája
Kapcsolt energiatermelés elvételes-kondenzációs gőzturbinával
• A villamosenergia termelés és a hőtermelés teljesítményszabályozása szétválasztható egymástól • A villamosenergia termelés részaránya és hatásfoka növelhető a kondezációs részarány növelésével. • A kondenzátorban elvezetett hő azonban veszteség, így az összhatásfok csökken a kondenzációs részarány növekedésével.
Biomassza alapú kapcsolt energiatermelés elvételes-kondenzációs gőzturbinával
Rankine cikluson alapuló vízgőz munkaközeggel üzemelő kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Bármilyen éghető anyag, hulladékok is
Villamosenergia termelés hatásfoka
2% - 25% az alkalmazott gőznyomásoktól függően
Hőhasznosítás hatásfoka
65% - 88%
Összhatásfok
~90% kb. megegyezik a kazánhatásfokkal
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, NOx, SO2, por, de alacsony értéken tartható Az alkalmazott nyomás emelése növeli a beruházási költséget
Gazdaságosság Alkalmazás
Csak közepes, vagy nagyteljesítményű rendszerekben, ahol gőzre szükség van
Organikus Rankine Ciklus (ORC) • A vízgőz helyett szerves hőhordozó közeget alkalmazva kapjuk az Organikus Rankine Ciklust (ORC) • A körfolyamatot megvalósító berendezés zárt kört alkot • A hőbevezetés egy hőcserélőn keresztül általában termoolajos fűtéssel történik • Termoolaj alkalmazásával magas hőmérsékletű hőhasznosítás érhető el alacsony, környezetihez közeli nyomásszinten. • Az alacsony nyomású rendszer kialakítása olcsóbb. • A hőhasznosítás a kondenzátor oldali hőcserélőn keresztül lehetséges. • Nincs szükség drága vízelőkészítő rendszerre. • A közeg megfelelő kiválasztásával a turbina optimális paraméterek mellett üzemelhet. • 200 kWe – 3 MWe villamos teljesítmény tartományban előregyártott rendszerek kaphatók. • A kiadható hőteljesítmény 0,9 MW – 14 MW tartományban lehet. • A villamosenergiatermelés hatásfoka 10% - 20% között van. • Az összhatásfok megfelelő hőhasznosítás esetén 80% - 90% lehet. • A rendszer működését a hőigények szerint kell szabályozni. • Tüzelőanyagként mindenfajta éghető anyag szóba kerülhet, beleértve biomasszát és a háztartási és ipari hulladékokat is.
Organikus Rankine Ciklus (ORC)
ORC munkaközegek összehasonlítása
ORC munkaközegek összehasonlítása vízgőzzel
A különböző munkaközegek alkalmazási tartományai
Organikus Rankine Ciklus ORC alapú kogeneráció
Továbbfejlesztett ORC alapú kogeneráció
ORC rendszer energiafolyam ábrája
ORC rendszer felépítése
Előregyártott ORC rendszer
ORC alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Bármilyen éghető anyag, hulladékok is
Villamosenergia termelés hatásfoka
10% - 20% az alkalmazott hőmérsékletszinttől függően
Hőhasznosítás hatásfoka
65% - 75%
Összhatásfok
75% - 85%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, NOx, SO2, por, de alacsony értéken tartható Az alkalmazott nyomás emelése növeli a beruházási költséget
Gazdaságosság Alkalmazás
Kis és közepes teljesítményű rendszerekben
Geotermikus energia hasznosítás ORC rendszerrel
Geotermikus energia hasznosítás ORC rendszerrel
ORC alapú geotermikus rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Nincs!
Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka
8% - 12% az alkalmazott hőmérsékletszinttől függően min. 75ºC-os hőm.diff. szükséges 20% - 40%
Összhatásfok
30% - 50%
Károsanyag emisszió
Nincs!
Gazdaságosság
A fúrás nagyon költséges, továbbá a visszasajtolás energiaigénye nagy.
Alkalmazás
Közepes teljesítményű rendszerekben
Energiatermelés gázturbinával
Kapcsolt energiatermelés gázturbinával
A villamos energia termelés a gázturbina által hajtott generátor segítségével történik, melynek hatásfoka 28% -38%. Hőhasznosításra a gázturbina magas hőmérsékletű távozó füstgáza ad lehetőséget. Az összhatásfok 75% - 85% tartományban várható megfelelő hőhasznosítás esetén. Tüzelőanyagként csak tisztított folyékony, vagy gáznemű tüzelőanyag használható A jelenleg kapható legkisebb egység 30kWe villamos és 50 kWth hőteljesítményű. Nagyobb egységeket legtöbbször a repülőgépekből származó (aero-derivatív) gázturbinákkal készítenek.
Mikro-gázturbina alapú energiatermelés sémája
Mikro gázturbinás energiatermelő rendszer
Gázturbina alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Csak folyékony, vagy gáznemű megfelelően tiszta tüzelőanyag, de a folyamatos égés miatt kevésbé érzékeny, mint a belsőégésű motorok
Villamosenergia termelés hatásfoka
28% - 38%
Hőhasznosítás hatásfoka
47% - 55%
Összhatásfok
75% - 85%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, NOx több mint kazánban tüzelésnél
Gazdaságosság
Gyorsan indítható, szükségáramforrásként is alkalmazható. Kevésbé karbantartásigényes, mint a belsőégésű motorok.
Alkalmazás
Közepes teljesítményű rendszerekben
Külső tüzeléses gázturbina
Külső tüzeléses gázturbina
Külső tüzeléses gázturbina alapú rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Szilárd tüzelőanyaggal is üzemeltethető
Villamosenergia termelés hatásfoka
25% - 35%
Hőhasznosítás hatásfoka
45% - 55%
Összhatásfok
~ 80%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, por NOx
Gazdaságosság
A hőcserélő kritikus alkatrész. Jelenleg fejlesztés alatt van.
Alkalmazás
Kis és közepes teljesítményű rendszerekben
Kogeneráció kombinált gáz-gőz turbinás rendszerrel
• Magas villamos energia termelési hatásfok érhető el ezzel a rendszerrel. 50% - 60% • A póttüzelés javítja a rendszer flexibilitását, azonban csökkenti a hatásfokot. • Az összhatásfok 80% - 90% körül alakul, a hőhasznosítástól függően. • Ilyen rendszereket csak nagy teljesítményű fűtőerőművi szinten készítenek.
Kombinált gáz-gőz turbinás rendszer felépítése
Kombinált gáz-gőz turbinás körfolyamat
ηtot =
PGT + Psteam .
Q in
ηGT =
PGT .
Q in
ηsteam = .
Psteam .
Q transfer ⋅ ε .
Q transfer ⋅ ε = Q stea min let
Kombinált gáz-gőz turbinás körfolyamat villamos hatásfoka Q transfer = Q in − PGT = Q in (1 − ηGT ) .
.
.
Q stea min let = Q transfer ⋅ ε = Q in ⋅ ε (1 − ηGT ) .
.
.
Psteam= η steam ⋅ Q stea min let = η steam ⋅ Q in ⋅ ε (1 − ηGT ) .
.
PGT + η steam ⋅ Q in ⋅ ε (1 − ηGT ) .
ηtot =
.
Q in
η steam ε − ηsteam ⋅ ε ηtot = ηGT 1 + ηGT ηsteam = 0 ,3 : ηGT = 0 ,3 ε = 0 ,8
ηtot = 0 ,47
ηsteam = 0 ,35 ηGT = 0 ,38 ε = 0 ,9
ηtot = 0.575
Energiaáramok jellemző megoszlása kombinált gáz/gőz turbinás rendszereknél
A villamosenergia termelés hatásfokának jelenlegi és várható alakulása
Póttüzelés alkalmazása .
Input heat:
Q in = QGTin + Qadd Qadd fadd= Qin=QGT(1+fadd) QGT PGT + Psteam PGT + Psteam ηtot = = Qin QGTin (1 + f add )
• A póttüzelés növeli a rendszer flexibilitását, • de csökkenti a hatásfokát.
Kombinált gáz-gőz turbinás rendszer kialakítása
Az Újpesti fűtőerőmű kapcsolása Újpest CC/GT power plant Gas
ST
70 bar 500C
Oil
70/6bar . 1.
70/25bar
SB
2.
70/1 bar
HRSG
Steam consumer Gas
cooling tower
Oil
HWB G.
GT
Heat consumer
0,958
0,917
0,875
0,833
0,792
0,75
0,708
0,667
0,625
0,583
GT
0,542
0,5
0,458
0,417
0,375
0,333
0,292
0,25
0,208
0,167
0,125
0,083
0,042
0
Kombinált gáz-gőz turbinás rendszer működése
MWe
80
ST
70
60
50
40
30
20
10
0
Kombinált Gáz-Gőzturbina alapú rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Csak folyékony, vagy gáznemű megfelelően tiszta tüzelőanyag, de a folyamatos égés miatt kevésbé érzékeny, mint a belsőégésű motorok
Villamosenergia termelés hatásfoka
50% - 60%
Hőhasznosítás hatásfoka
0% - 40%
Összhatásfok
50% - 90%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, NOx több mint kazánban tüzelésnél
Gazdaságosság
Összetett rendszer, magas beruházás igénnyel
Alkalmazás
Közepes és nagy teljesítményű rendszerekben, elsősorban villamosenergia termelésre
Cheng ciklus • Ebben a rendszerben a HRSG-ben termelt gőzt visszavezetik a gázturbina tűzterébe. • Így nem szükséges gőzturbina • De a visszavezetett gőz magas hőmérsékleten disszociál. A hidrogén bediffundál különböző gázturbina alkatrészekbe, azok gyors elhasználódást okozva ezzel. Emiatt ezt a módszert így nem alkalmazzák. • De egy kis mennyiségű gőz bevezetése még nem okoz nagymértékű diffúziót, ugyanakkor csökkenti az NOx képződést, valamint növeli a gázturbina teljesítményét. Ezt a megoldást részleges Cheng ciklusnak nevezik.
Külső tüzeléses gázturbina részleges Cheng ciklussal
Kapcsolt energiatermelés belsőégésű motorokkal • Belsőégésű motorok: Széleskörűen alkalmazhatók kis- és közepes teljesítményű rendszerekben; Viszonylag magas villamos energia termelési hatásfokkal rendelkeznek, de a hőenergia hasznosítás nem olyan egyszerű, mivel a hő megoszlik a hűtővíz és a kipufogógáz között. A hűtővízből nyerhető hőenergia hőmérséklet szintje korlátozott < 90ºC.. • A motor lehet: szikra gyújtású (Otto-motor) vagy kompresszió gyújtású (Diesel-motor)
Az elméleti Otto körfolyamat
V
η=
−∑W Q1
Q c (T ∑ = = v
Q1
3
− T2 ) − cv (T4 − T1 ) T4 − T1 1 = 1− = 1 − κ −1 cv (T3 − T2 ) T3 − T2 ε
ahol ε = V1/V2 a kompresszió viszony, κ = cp/cv fajhőviszony
Az elméleti Diesel körfolyamat
η=
− ∑W Q1
=
∑Q Q1
ahol ρ = V3/V2
=
c p ( T3 − T2 ) − cv ( T4 − T1 ) c p ( T3 − T2 )
ρκ − 1 = 1 − κ −1 ⋅ ε κ ⋅ (ρ − 1) 1
Körfolyamati hatásfok változása a kompresszió viszony függvényében
4 ütemű belsőégésű motor működése
Belsőégésű motorok valós körfolyamata Otto
Diesel
Diesel motorok Diesel motor kategóriák: • Kétütemű (alacsony fordulatú) motorok: fordulatszám n < 200 /perc, teljesítmény tartomány Pe =1 - 50 MW, villamos hatásfok: ηe = 45-53%. • Négyütemű motorok lehetnek: Közepes fordulatú motorok: n = 400 – 1000 /perc, teljesítmény tartomány Pe =0,5 - 20 MW, villamos hatásfok: e = 35-48%, vagy Magas fordulatú motorok: n = 1000 – 2000 /perc, teljesítmény tartomány Pe =0,1 - 2 MW, villamos hatásfok: e = 35-40% • Tüzelőanyag lehet: diesel olaj, nehéz / könnyű fűtőolaj, földgáz, PB gáz, Biogáz
Otto motorok • • • •
Teljesítmény tartomány: 20 kW - 1.5 MW. Fordulatszám tartomány: 750 - 3000 /perc. Villamos hatásfok: 25 - 35%. Tüzelőanyag lehet: benzin, metanol, etanol, földgáz, PB gáz, Biogáz,
Egyszerű belsőégésű motoros kogenerációs rendszer
Összetett belsőégésű motoros kogenerációs rendszer
Belsőégésű motor energiafolyam ábrája
Hatásfokok ηmech
W& shaft = Q&
firing
PGE ηe = & Q firing
PGE + Q& GE ηbr = & Q firing
ηe ,net
PGE − Pself = Q&
σ GE
ηheat
Q& GE = Q& firing
ηe PGE = = & QGE ηheat
ηheat ,useful
firing
Q& useful = Q& firing
Q& useful = Q& GE − Q& self − Q& emergencycooling − Q& exhaustgasbypass ηsum ,net
PGE − Pself + Q& useful = Q& firing
σ net
PGE − Pself = Q& useful
Motorok villamos hatásfokának változása a terhelés függvényében 43,00
42,00
41,00
40,00
39,00 Jenbacher 320 38,00
Jenbacher 316 Jenbacher 420
37,00
Deutz V20
36,00 0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Az összhatásfok és a hő-hasznosítási arány ηsum ,net
PGE − Pself + Q& useful = Q& firing
A kogenerációs arány és az PGE − Pself σ net = & Quseful összhatásfok alakulása
σ cog,net
η el: 1,45 1,35 1,25 1,15 1,05 0,95 0,85 0,75 0,65 0,55 0,45 0,65
0,7
30%
0,75
35%
0,8
40%
0,85
Net summa efficiency
45%
0,9
50%
0,95
Belsőégésű motor alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Csak folyékony, vagy gáznemű megfelelően tiszta tüzelőanyag, a periodikus rövid idejű égés miatt a legérzékenyebb a minőségre
Villamosenergia termelés hatásfoka
30% - 50%
Hőhasznosítás hatásfoka
40% - 50%
Összhatásfok
80% - 90%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, NOx a legmagasabb
Gazdaságosság
Gyorsan indítható, szükségáramforrásként is alkalmazható, de karbantartásigényes.
Alkalmazás
Kis és közepes teljesítményű rendszerekben
Kogeneráció külső égésű motorokkal Gőzmotor, gőzgép (Spilling motor) • A módszer azonos a gőzturbinás kapcsolt energiatermeléssel • Gőzmotorok teljesítménytartománya jelenleg: 30kW - 500kW. • Tüzelőanyag: bármilyen szilárd, folyékony, vagy gáz
Stirling motor • A Stirling motorba a hőbevezetés kívülről történik. • Hőleadás oldal hasznosítható fűtésre, vagy HMV kszítésre • Villamosenergia termelés hatásfoka a hőbevezetés és hőelvezetés átlaghőmérsékletétől függ • A Stirling motorok háromféle elrendezéssel készülnek: Alfa, Beta, vagy Gamma
Alpha Stirling
Beta Stirling
Gamma Stirling
Stirling motor • • • • •
• • •
A Stirling-motor vagy más néven hőlégmotor, külső hőbevezetésű hőerőgép, általában dugattyús-forgattyús mechanizmussal készül. A hatásfokát a hőmérséklet különbség határozza meg. A Stirling motor egy zárt ciklusú hőerőgép gáz munkaközeggel. A zárt ciklus azt jelenti, hogy ugyanaz a munkaközeg van állandóan a motorban, nem cserélődik. Mivel a motor fűtése kívülről történik, így bármilyen megfelelő hőmérsékletű hőforrással táplálható. Az égés kivül zajlik le, ezért a levegő-tüzelőanyag-keveréket sokkal pontosabban lehet szabályozni. A folytonos égés miatt a szennyezőanyag emisszió jelentősen csökkenthető. A Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költséges szerkezetek, ezek nyomásálló és korrózióálló kivitelben kell, hogy készüljenek. Eltömődésre, elrakódásra érzékenyek, valamint belső térfogatuk korélátozott, így a hőcserélő felület nem növelhető korlátlanul. Különösen kis hőmérsékletkülönbség esetén a hideg és meleg oldal között a motor méretei sokkal nagyobbak az azonos teljesítményű belsőégésű motorokhoz képest a nagy hőcserélők miatt. A Stirling motort nem lehet gyorsan beindítani, lassú felmelegedésre van szüksége. Ez ugyan a belsőégésű motorokra is igaz, de a felfűtéshez szükséges idő itt sokkal hosszabb. A leadott teljesítményt nehéz változtatni, gyors változtatás nem is lehetséges. A teljesítményt vagy a dugattyú lökethosszának változtatásával vagy az áramló gáz mennyiségével lehet szabályozni. Ez kogenerációs alkalmazásoknál, ahol állandó teljesítményre van szükség, kevéssé problematikus.
Stirling körfolyamat
Stirling motor működése
Stirling motor működése
Stirling motor biomassza tüzeléshez
Stirling motor beépítési példa
Stirling motor alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Tetszőleges, akár szilárd tüzelőanyag is alkalmazható
Villamosenergia termelés hatásfoka
~ 30%
Hőhasznosítás hatásfoka
40% - 50%
Összhatásfok
70% - 80%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, por NOx a legmagasabb
Gazdaságosság
Még nem elterjedt, részben még fejlesztés alatt
Alkalmazás
Kis és közepes teljesítményű rendszerekben
Poli-generáció Integrált gázosítós kombinált ciklus (IGCC)
Biogáz alapú kogeneráció Biogáz tároló
Szurés és tisztítás
Hálózati szinkronizálás
Nyomásfokozó Generátor
Szilárd és hab
H2O
H2S CO2
Villanyáram ∼AC, 50 Hz
Fáklya
Gázturbina Gázmotor Biogáz tároló
Hohasznosító Katalizátor
Biogáz
Generátor
Füstgáz
Futés
Alapanyag tárolás és homogenizálás
Hígtrágya
FERMENTOR Aprítás
Fém és egyéb meddo anyag leválasztása
Istállótrágya és mezogazdasági hulladékok
Ülepítés és semlegesítés Víztároló
Öntözés
Talajero pótlás Víztelenítés
Szilárd maradvány
Elgázosítás alapú kogeneráció
Güssingi gázosító rendszer
A gázosító rendszer hatásfoknak javítási lehetőségei
Gázosítós Gáz-Gőzturbina alapú rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Szilárd tüzelőanyagok, szén, vagy biomassza
Villamosenergia termelés hatásfoka
25% - 55%
Hőhasznosítás hatásfoka
0% - 40%
Összhatásfok
50% - 85%
Károsanyag emisszió
Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, por, NOx
Gazdaságosság
Nagyon összetett rendszer, rendkívül magas beruházás igénnyel
Alkalmazás
Nagy teljesítményű rendszerekben, elsősorban villamosenergia termelésre, illetve hulladék ártalmatlanításra
Üzemanyag cella Az üzemanyag cellák működési elve:
Az üzemanyag cella működési elve
Üzemanyag cella • Villamos energiát és hőt fejleszt H2 és O2 elektrokémiai oxidációja útján • Egyetlen cella tipikusan 1 V feszültséget ad. • A hatásfok 40%-70% között alakul a cellatípustól függően. • A végtermék H2O.
Az üzemanyag cellák típusai • • • • • • •
Bázikus üzemanyag cella Polimer Elektrolit Membrán üzemanyag cella Foszforsavas üzemanyag cella Szilárd oxid üzemanyag cella Folyékony karbonát üzemanyag cella Közvetlen metanolos üzemanyag cella Regeneratív üzemanyag cella
Bázikus üzemanyag cella (AFC) • A bázikus üzemanyag cella (AFC) volt az egyik első alkalmazott technológia az űrprogramban, az űrhajók villamos energia és vízellátására. Ezek a cellák kálium-hidroxid oldatot használtak különböző katalitikus fémekkel, amelyek az anód és katód szerepét töltötték be. • A cellák 23°C - 70°C hőmérséklet tartományban üzemeltek, de léteznek magas hőmérsékletű típusok is, melyek 100°C - 250°C hőmérséklet tartományban üzemelnek. • Villamos hatásfokuk megközelíti a 60%-ot. • Hátránya, hogy kis mennyiségű CO2 is elszennyezi. Ezért csak nagyon tiszta hidrogénnel és oxigénnel táplálható.
Polimer Elektrolit Membrán (PEM) üzemanyag cella • A Polimer Elektrolit Membrán (PEM) üzemanyag cellák — protoncserélő membrán üzemanyag cellának is nevezik — fajlagosan kisebb tömegűek és térfogatúak más típusú üzemanyag cellákkal összehasonlítva. Szilárd polimert alkalmaznak elektrolitként és platina katalizátort. Nincsenek benne korrozív folyadékok, mint más cellák esetén. • Táplálásához csak hidrogén és levegő szükséges. A hidrogén ellátás történhet tartályból, vagy reformerből, amely szénhidrogénből fejleszt hidrogént. • A cella relatív alacsony hőmérsékleten k.b. 80°C üzemel. Emiatt gyorsan indítható, hamar bemelegszik. • Azonban az alkalmazott platina katalizátor nagyon érzékeny a CO-ra, amelytől elszennyeződik. Ennek akkor van veszélye, ha a hidrogén szénhidrogének reformálásából származik.
Foszforsavas üzemanyag cella (PAFC) • A foszforsavas üzemanyag cellában folyékony foszforsavat használnak. A savat teflon bevonatú szilikon karbid mátrix tartalmazza. Elektródaként platina katalizátor szolgál. • Ezt az üzemanyagcellát tekintik a modern üzemanyag cellák első generációjának, amelyet forgalomba hoztak. • Ez az üzemanyag cella kevésbé érzékeny az elszennyeződésre • Azonban a PAFC cellák fajlagosan nagyobb méretűek, mint pld. a PEM cellák és költségesebb az előállításuk.
Szilárd oxid üzemanyag cella (SOFC) • A szilárd oxid üzemanyag cellák szilárd, nem porózus kerámiát használnak elektrolitként. Mivel az elektrolit szilárd, nem szükségszerű a sík lemezes kialakítás. • Ez az üzemanyag cella magas hőmérsékleten ~1000°C üzemel. A magas hőmérséklet lehetővé teszi az üzemanyagok belső reformálását. Így nem szükséges külön reformer alkalmazása. • Ez a cellatípus nem érzékeny a kénre, vagy például a CO-ra, sőt magas CO tartalmú gáz pld. elgázosításból származó is használható mint üzemanyag.
Folyékony karbonát üzemanyag cella (MCFC) • Ez az üzemanyag cella magas hőmérsékleten ~650°C üzemel. A magas hőmérséklet lehetővé teszi az üzemanyagok belső reformálását. Így nem szükséges külön reformer alkalmazása. • Ez a cellatípus nem érzékeny a kénre, vagy például a CO-ra, vagy CO2-re sőt magas CO tartalmú gáz pld. elgázosításból származó is használható mint üzemanyag. Szén, vagy biomassza elgázosításból származó tüzelőanyagokhoz is kiválóan alkalmas.
Közvetlen metanolos üzemanyag cella (DMFC) • A többi üzemanyagcella működtetéséhez közvetlenül, vagy közvetve de hidrogénre van szükség. Ebben a cellában azonban metanolt és gőzt kell az anódhoz vezetni. • A metanol hasonlóan tárolható és szállítható, mint a hagyományos folyékony üzemanyagok, mint a benzin vagy a diesel olaj. • Ez a technológia azonban még fejlesztés alatt áll. A piaci bevezetésre még várni kell.
Regeneratív üzemanyag cella • A regeneratív üzemanyag cella tulajdonképpen egyesíti az elektrolízisre alkalmas cellát az üzemanyag cellával. • A fel nem használt villamos energiával völgyidőszakban vizet lehet bontani, majd igény esetén csúcsidőszakban villamos energia (és hő) termelhető. • Ez tulajdonképpen a villamos energia tárolás egyik formája. • Ez a fajta üzemanyagcella is fejlesztés alatt áll még.
Különböző üzemanyag cellák összehasonlítása Üzemanyag cella típusa
Elektrolit
Bázikus (AFC)
30% KOH
PolimerElektrolit Membrán (PEMFC)
Működési hőmérséklet [°C]
Üzemanyag lehetőségek
Rendszerelemek
60-90
tiszta H2
Cellák, Vízleválasztó
PEM NAFION
0-80
H2 Metán, Metanol
Cellák, Reformer, Gáztisztító
KözvetlenMetanol (DMFC)
PEM NAFION
60-130
Metanol
Cellák
Foszforsavas (PAFC)
conc. H3PO4
130-220
H2 Metán,
Folyékony Karbonát (MCFC)
Li2CO3/ 2CO3
650
Szilárd Oxid (SOFC)
Zr(Y)O2
800-1000
Villamos hatásfok [%]
Megjegyzés
Jelenlegi maximális teljesítmény
60
CO2-érzékeny
20 kW
60 (H2) 40 (CH4)
CO-érzékeny
250 kW
40
H2 nem szükséges
Fejlesztés alatt
Cellák, Reformer, Konverter, Hőcserélő
40
CO-érzékeny
11 MW
Metán, Széngáz, Biogáz, Pirolízisgáz
Cellák, Gázosító, vagy Reformer, Hőcserélő
48-55 60
CO2 bevezetés is szükséges
2,2 MW
H2, Metán, Széngáz, Biogáz, Pirolízisgáz
Cellák, Hőcserélő
50-65
Szénhidrogén üzemanyag előreformálás nem szükséges
25 kW
Üzemanyagcellák használata lakóépületekben
Üzemanyagcella táplálása földgázzal
Példa egy üzemanyagcellán alapuló családi energiaellátó központra • Nettó villamos teljesítmény: 2 kWe • Nettó villamos hatásfok: 28% - 32% • Nettó hőteljesítmény: 5 kWth • Összhatásfok: 76% - 85%
Üzemanyagcella alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok
Alapvetően Hidrogén Hidrogén forrása lehet pld. földgáz
Villamosenergia termelés hatásfoka
~ 30%
Hőhasznosítás hatásfoka
45% - 55%
Összhatásfok
75% - 85%
Károsanyag emisszió
Nincs, csak H2O, párhuzamosan CO2
Gazdaságosság
Még nem elterjedt, részben még fejlesztés alatt Az elérhető rendszerek drágák
Alkalmazás
Kis és közepes teljesítményű rendszerekben
Tri-generációs rendszerek Kombinált hő, hűtés és villamosenergia termelés: • Lehetőséget teremt nyári időszakban a hőenergia hasznosítására • Ezzel jelentősen javítható az éves energiahasznosítás hatásfoka
Tri-generáció abszorpciós hűtő alkalmazásával • Abszorpciós hűtő alkalmazásával a hőenergia hűtésre, vagy klimatizálásra is hasznosítható. • A rendszerek NH3-H2O, vagy újabban LiBr-H20 közegpárokkal üzemelnek. • A hőforrás minimális hőmérséklete jelenleg 70ºC - 80ºC tartományban van. • A jelenleg elérhető rendszerek teljesítmény tényezője: COP = Qcool/Pe = = 0,6 - 0,8 tartományban alakul.
Kompresszoros és abszorpciós hűtés összehasonlítása Abszorpciós hűtés Teljesítmény tényező Hűtőteljesítmény
0,6 – 0,8
Kompresszoros hűtés 3–4
1 kW
1 kW
Energia bevitel
hőenergia
villamos energia
Energia felvétel
1,3 – 1,7 kW
0,25 - 0,33 kW
Tri-generáció ejektor ciklussal
Teljesítmény tényező hasonlóan alakul az abszorpciós hűtéshez. COP = 0,6 – 0,8 Ha nincs hűtési igény, villamosenergia is termelhető.
Az ejektor működési elve.
A különböző rendszerek műszaki és gazdasági összehasonlítása
Illesztés az igényekhez • Hatékony kogeneráció akkor érhető el, ha az összhatásfok megfelelően magas érték. • Ehhez az szükséges, hogy a rendelkezésre álló hő minél nagyobb arányban hasznosításra kerüljön. • A rendszer működését illeszteni kell a hőigények alakulásához. Erről célszerű szabályozni ateljesítményt. • A villamosenergia termelés alárendelt legyen. • A mindenáron való villamosenergia termelés erőltetése pazarláshoz vezet. • Végül, de nem utolsó sorban a gazdaságosságot is szem előtt kell tartani.
Fűtési és klímatizálási igény változása az év során
A fűtési idény terhelési tartamdiagramja
Időszakra vonatkozó hőigény és tüzelőanyag fogyasztás MI ⋅ Q& méretezési ⋅ HDD Qigény = [kWh] (tbelső − t min .külső ) Qigény B& tüz .a = [kg, or m3] H ⋅η kazán ahol: Qigény
[kWh]
Időszakra von. energia igény
B&tüz .a.
[kg, vagy m3]
Időszakra von. tüzelőanyag fogy.
MI
[h/nap]
Működtetés időtartama MI=24 folyamatos működés esetén
Q& méretezési
[kW]
maximális (méretezési) teljesítmény
HDD
[ºC day]
Időszakra von. napfok érték
( HDD =
∑ (t
belső
− tmin .külső ))
napok
tbelső [ºC] [ºC] tmin.külső H [kWh/kg, or kWh/m3] ηkazán [-]
(Forrás: http://www.degreedays.net/) belső hőmérséklet minimális külső (méretezési) hőmérséklet tüzelőanyag fűtőértéke kazánhatásfok
Teljes energiaellátó rendszer ORC-vel
Kogenerációs rendszer illesztése a hőigényekhez
Kisteljesítményű egy, vagy néhány lakás ellátására alkalmas kogenerációs rendszerek Jelenleg elterjedt technológiák: • Mikro-gázturbina • Belsőégésű motor Terjedőben lévő, fejlesztés alatt álló technológiák: • ORC rendszer • Külső tüzeléses gázturbinák • Stirling motor • Üzemanyag cella
Kisteljesítményű rendszerekben történő alkalmazás • 140 kW tüzelési teljesítményig a telepített rendszerekre nincsenek emissziós előírások érvényben Magyarországon • A hatásfok és emissziós követelményeket a beépített készülékek minőség tanusítása garantál(hat)ja!? • Engedélyeztetés: - Építési engedély - pld. épített kéményhez - Kéményseprő eng. – füstgázelvezetés, légellátás - Tüzelőanyag ellátás – pld. gázellátás - Villamos rendszerre rákötés – ad-vesz mérő, csak saját felhasználás esetén is kell a hálózatszennyezés elkerülésére (frekvencia és felharmonikusok tartása). • Pályázati lehetőségek!!! - Árajánlat, vagy megtakarítás számítás szükséges
Közepes teljesítményű, lakóparkok, közösségi épületek, irodák, bevásárló központok ellátására alkalmas rendszerek Jelenleg elterjedt technológiák: • ORC rendszer • Gázturbina • Belsőégésű motor Terjedőben lévő technológiák: • Külső tüzeléses gázturbina • Stirling motor • Üzemanyag cella
Közepes teljesítményű rendszerekben történő alkalmazás • 140 kW tüzelési teljesítmény felett a telepített rendszerekre emissziós előírások vannak érvényben Magyarországon • A hatásfok és emissziós követelményeket a szállító kell, hogy garantálja. A különböző országokban eltérő határértékek vannak. • Engedélyeztetés: - Megvalósíthatósági tanulmányterv - Környezeti hatástanulmány, környezetvédelmi engedély - Építési engedély - Tüzelőanyag ellátás – pld. gázellátás - Villamos rendszerre rákötés – ad-vesz mérő, csak saját felhasználás esetén is kell a hálózatszennyezés elkerülésére (frekvencia és felharmonikusok tartása). - Egyéb szakhatósági engedélyek. • Pályázati lehetőségek!!! - Megvalósíthatósági tanulmányterv szükséges
Összefoglalás Megismerkedtek • A kapcsolt energiatermelés előnyeivel • Kapcsolt energiatermelés különböző megoldásaival - gőz-körfolyamattal - ORC rendszerrel - gáz-turbinával - belsőégésű motorokkal - Stirling motorral - üzemanyag cellával • Tri-generációval • A kogeneráció alkalmazásának illesztési kérdéseivel
Köszönöm a figyelmet ! Dr. Lezsovits Ferenc Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék