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
