Er m vek energetikai folyamatai Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapesti Er m vek 2008/09 I. f.év – 2009 október 1.
Katona Zoltán
[email protected] Tel.: 06-30-415 1705
Katona Z, 2008.
1
Villamos energia termelés - közvetetten Kémiai reakció: fosszilis, biomassza tüzel anyagú er m vek Nukleáris reakció: atomer m vek Villamos energia termelés - közvetlenül Fotovoltaikus: naper m Mechanikus energia: vízer m vek, széler m vek, ár-apály er m vek Kémiai reakció: tüzel anyag cella
Katona Z, 2008.
A fosszilis tüzelés er m vek, atomer m vek, vízer m vek és sokkal kisebb mértékben a biomassza tüzelés er m vek adják a világ – és így Magyarország – villamos energia termelésének csaknem egészét!
2
Szükség van a h termelés közbeiktatására! A villamos energia termelési folyamatok ezért alapvet en h tani folyamatok! Fosszilis tüzel anyagok: Szén, földgáz, olaj tüzlés er m vek Fosszilis tüzel anyagok
h energia
Kazán / GT ég tér /gázreaktor
Mechanikus energia gáz /g zturbina
villamos energia generátor
Nukleáris f t elemek: Atomer m vek: Nukleáris f t elem
h energia reaktor
Katona Z, 2008.
Mechanikus energia gáz /g zturbina
villamos energia generátor
Csak a h forrás szempontjából különböznek!
3
Kémiai energia
h energia
átalakítás
H
mechanikai munka átalakítás
Mechanikai munka villamosenergia átalakítás villamos energia
füstgáz
tüzel anyag Kazán
G zturbina Generátor
égési leveg
villamos energia
H t közeg környezeti h mérsékleten Kondenzátor
Katona Z, 2008.
4
Katona Z, 2008.
Forrás: Fossil fuel innovation, Professor Stephen Lawrence Leeds School of Business University of Colorado at Boulder
5
PG T = 60% Qü
Földgáz (157 °C, 36 bar)
581 °CMW 440
MW 730 0% 10
η GT
385 MW 53%
tartalék olaj
50 MW 7%84 °C
leveg
39% 7 MWel
G
η Katona Z, 2008.
283 MW 39% gázturbina G / G
=
PG
T
150 MW + P g zturbina 22% K E Q ü
425 MWel 425 MWel
433MW MWel 433 el
59% Duna
227 MW 31%
6
Katona Z, 2008.
7
!
Katona Z, 2008.
"
!#
8
Katona Z, 2008.
9
!
Katona Z, 2008.
"
10
$
Katona Z, 2008.
11
J. B. Kitto Babcock and Wilcox, Technology Development for Advanced Pulverized Coal Fired Boilers
%
Katona Z, 2008.
"
http://www.fossil.energy.gov/education/energylessons/coal/coal_cct4.html Ludquist at al: Major step forward – the supercritical CFB boiler, PowerGen 2003
12
&
Katona Z, 2008.
13
Cél: gazdaságosság növelése Tüzel anyagköltség csökkentés hatásfok növelés Beruházási költség csökkentés (legkisebb mérték növelése) Egyéb üzemeltetési és karbantartási költség csökkentés Bevétel maximalizálás (pl. rendelkezésre állás növelése) Katona Z, 2008.
14
' T
qbe = T1 ⋅ ∆s1
T1
qel = T2 ⋅ ∆s2 Pvill = q1 − q2
K
SK=const
E
T2
η vill =
Pvill q1
η vill = 1 −
SE=const
T2 T1
S
Katona Z, 2008.
Cél: a h bevezetés átlagh mérsékletét növelni a h elvonás átlagh mérsékletét csökkenteni
15
#
# T T1
4
(
qbe
qel ∆s1 ∆s2
Katona Z, 2008.
Körülzárt terület nem azonos az egységnyi közegb l kinyerhet munkával !!
1
T2 3
#
2
s
qel T2 ⋅ ∆s2 T2 η = 1− = 1− = 1 − ⋅ρ qbe T1 ⋅ ∆s1 T1
16
#
+, É
K
1600
T
T
a kompresszor bels irrevezibilitásai
H mérséklet , K
)" * !
. Qb
1400
nyomáscsökkenés a h közlés 1200 p során 2
2
e
a turbina bels irrevezibilitásai
qbe
1000
2*
800
p =p2=p3= 24 bar 3 3 3 áll.
4*
2
600
1
4
400 200
1*
0
p 11
qel 500
0 nyomásellenállás a Fajlagos leveg beszívás során
Katona Z, 2008.
p4 p1=p4= 1 bar p = áll. 5* 0
4 nyomásellenállás a kilépésnél
1000
ent rópia, s, J/ (kgK)
. S
17
)"
# T
T 1
1 p1
T 1s
3 2`
T 2
2o
s Katona Z, 2008.
18
-
#" . expanzió kezdeti paraméterének növelése: g z paraméterek növ. vagy CCGT
újrahevítés kondenzátor-nyomás csökkentése tápvízel melegítés
Katona Z, 2008.
19
%
"#
. !
T
T 1
p1
1 p1
körfolyamat hatásfoka: javul, mert a h bevezetési középh mérséklet n ,
T 1s
3 2`
T 2
2o
s
Katona Z, 2008.
20
%
"#
. !
T
T 1
T1
1 p1
T 1s
3 2`
körfolyamat hatásfok: nagymértékben javul, mert a h bevezetés átlagos h mérséklete jelent sen n
T 2
2o
s
Katona Z, 2008.
21
/.
!
T 1
T
T
T
körfolyamat hatásfok: nagymértékben javul, mert a h bevezetés átlagos h mérséklete jelent sen n
1u
T uo no
T 2
Katona Z, 2008. s
22
$
. P= 250 bar (>221 bar) T= 560 °C
Katona Z, 2008.
körfolyamat hatásfok: nagymértékben javul, mert a h bevezetés átlagos h mérséklete jelent sen n
23
.
!
hermetikus tér
T
Legjobb megoldás: g zszárítás + kétfokozatú túlhevítés Katona Z, 2008.
s
24
+
!
!
1
T
2
n e
2'
Katona Z, 2008.
1
n 2'
e 2
s
25
0 "
*
T
T 1
körfolyamat hatásfoka: javul, mert a h elvezetés átlagos h mérséklete csökken,
1 p1
T 1s
3 2`
,
T 2
2o
s
Katona Z, 2008.
26
0 " !
K
3
1
#"
"
2 "
K
H S Z
leveg
tenger folyó tó
póth t víz HS Z
leveg FKSZ
Katona Z, 2008.
HS Z
27
0 " "
Katona Z, 2008.
1 2
#"
"
28
1 ∆S1
Gázkörfolyamat: magas h bevezetési középh mérséklet
T
T1
kilép h mérséklet: 600ºC 500 G zkörfolyamat: alacsony h elvezetési középh mérséklet
T2 ∆S 2,a
Katona Z, 2008.
∆S 2, b
S
29
4 G zkazán: széntüzelés (olaj, földgáz) Széntüzelés: szénpor és fluidtüzelés IGCC Nedvesg zös atomer m Kombinált ciklusú er m Kapcsolt energiatermelés
Katona Z, 2008.
30
4
2
5 Hûtõvíz
Gõzkörfolyamat gõz
GF GT
kazánvíz
NE K póttápvíz GTT KE tápvíz
fõcsapadékvíz
KT csapadékvíz
Katona Z, 2008.
31
4
Katona Z, 2008.
1 .
!
32
4
Katona Z, 2008.
1& %6 '
33
4
Katona Z, 2008.
1 ) ''
34
4
Katona Z, 2008.
2
35
4
Katona Z, 2008.
1 '' +
36
4
Katona Z, 2008.
2
37
$
# . USA IGCC fejlesztés 166 üzem világszerte Cél: 250 MW-ról 600 MW-ra, 42% hatásfokról 48%-ra. 15-20%-al magasabb CAPEX mint szénportüz (1400 USD/kW). Cél: Zeró emisszió
Eu Szénportüzelés USC er m vek Több mint 400 szuperkritikus er m Jelenleg: 45 % hatásfok, cél: 50%+ H mérséklet növelési cél: 700/720°C, 350 bar Nyomásnövelési cél: 649 °C, 414 bar Szuperkritikus CFBC er m vek Jelenleg: szubkritikus 300 MW (2002, USA) Építés alatt: 460 MW, 43% Katona Z, 2008. Hatásfokok: nettó, (alsó) f t érték bázison
38
Katona Z, 2008. Szuperkritikus kazánok
Kényszeráramlású (egycsöves) kazánok
$
39
789 :
.
• Nickel bázisú anyagok: • t ztérfal (HCM12, In 617), Nagy méret + In 617, 740), Kazán • túlhevít k (Ausztenit szelepek • kilép kamrák • frissg zvezeték (In 617, C263), • f g zszelep (In 625, In 617), • Turbinaház (In 625, In 617), • turbinarotor (In 625, In 617) Nickel- (kúszás), • anyagtulajdonságok alapú • gyártási és hegesztési tulajdonságok, szerkezeti • füstgázkorrózió, anyagok • h átadási tulajdonságok
g zturbina
600°C-os technológia hatásfoka: 45,4% 700°C-os technológia hatásfoka: 50% Katona Z, 2008.
40
-
"
;
140.0
+ 20 - 30 %
120.0
Katona Z, 2008.
43 %
P91
60.0
X20
80.0
45 %
+ 5.5 %
47 %
Ni ötvözetek
+ 2.5 %
Ausztenites acél
költség 43 % hatásfokra vetítve 100.0
51 %
41
$
'% 6 ' MWe
Második Generációs kazán
Els Generációs kazán
Katona Z, 2008. Forrás: S. J. Goidich at al: Design Aspects of the Ultra-supercritical CFB Boiler, 2005
42
$
'% 6 ' Szénportüzeléssel akar versenyezni: er m méret és hatásfok Lagisza projekt, PKE, feketeszén Foster Wheeler típus (kompakt szilárd leválasztók) 460 MWe, kényszerátáramlású (OTU) 275 bar, 560°C/580°C Siemens Benson technológia Konvencionális szerkezeti anyagok. Nettó hatásfok 0,4%-al magasabb (PC hasonló g zparaméterekkel) Rugalmas tüzel anyagválasztás (pl. max. 30% nedves széniszap)
Katona Z, 2008.
43
0
<
Katona Zoltán
[email protected] Tel.: 06-30-415 1705 Katona Z, 2008.
44
-
Katona Z, 2008.
45
$
Kína Oroszország Világ Németország Jöv technológiája
Katona Z, 2008.
46
*
, = ')
Katona Z, 2008.
>88?
47
6 *> 8 8 > #
Katona Z, 2008.
,
48
$
Katona Z, 2008.
49
@ 8 8 A '1 D
4 B C2
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2006 Folyamatban lev l R & T programok
20 - 30 M COMTES700 er m
400 MW 700 °C er m üzemeltetése
Katona Z, 2008.
50
