Kapcsolt hő- és villamos-energia termelés. Kogeneráció (CHP)

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 )

Fűtési és klímatizálási igény változása az év során

Energiaigények és források alakulása

Energiaellátási tendenciák

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 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


10% - 20% az alkalmazott hőmérsékletszinttől függően


65% - 75%

Összhatásfok

75% - 85%


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%


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


28% - 38%


47% - 55%

Összhatásfok

75% - 85%


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


25% - 35%


45% - 55%

Összhatásfok

~ 80%


Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, por NOx

Gazdaságosság

A hőcserélő kritikus alkatrész. Jelenleg fejlesztés alatt van.

Alkalmazás


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


50% - 60%


0% - 40%

Összhatásfok

50% - 90%


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


30% - 50%


40% - 50%

Összhatásfok

80% - 90%


Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, NOx a legmagasabb

Gazdaságosság

Gyorsan indítható, szükségáramforrásként is alkalmazható, de karbantartásigényes.

Alkalmazás


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


~ 30%


40% - 50%

Összhatásfok

70% - 80%


Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO2, por NOx a legmagasabb

Gazdaságosság

Még nem elterjedt, részben még fejlesztés alatt

Alkalmazás


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


25% - 55%


0% - 40%

Összhatásfok

50% - 85%


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


~ 30%


45% - 55%

Összhatásfok

75% - 85%


Nincs, csak H2O, párhuzamosan CO2

Gazdaságosság

Még nem elterjedt, részben még fejlesztés alatt Az elérhető rendszerek drágák

Alkalmazás


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

Kapcsolt hő- és villamos-energia termelés. Kogeneráció (CHP)

Recommend Documents