Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie KOGENERACE
Pojem KOGENERACE •
•
•
jedná se o současnou výrobu více druhů energie – obecně bývá uváděno, že jde o kombinovanou výrobu elektřiny a tepla systém zajišťující výrobu a dopravu elektrické a tepelné energie v požadovaných parametrech spotřeby se nazývá kogenerační systém jako nový trend ve využití kogeneračních jednotek (KJ) se v současné době objevuje pojem TRIGENERACE – kombinovaná výroba elektřiny, tepla a chladu (chlad je využíván pro účely klimatizace, převážně komerčních budov)
Kogenerace - princip Výhody kogenerační výroby energie jsou patrné z obrázku: •
•
KJ ušetří 40% primárního paliva na stejné množství vyrobené elektrické energie a tepla oproti oddělené výrobě úspora paliv je také doprovázena snížením emisních škodlivin
Kogenerace
výhody kombinované výroby energií
• • • • •
společnou produkcí tepelné a elektrické energie v KS zvyšujeme účinnost využití primárního paliva možnost umístit výrobu do místa spotřeby snižuje ztráty vzniklé přenosem snadná napojitelnost na existující technologie omezení využívání primárních energetických zdrojů a zvýšení podílu obnovitelných zdrojů omezení znečištění životního prostředí
Kogenerační systémy •
•
kogenerační systémy (KS) zahrnují kogenerační jednotku a systém dopravy energie základní dělení je podle pořadí využívání produkovaných energií:
• horní kogenerační systémy • dolní kogenerační systémy
Kogenerační systémy Horní kogenerační systémy •
•
•
nejdříve dochází k získání energie v energetickém systému (1) teplo v energet. sys. je využíváno pro technologické procesy a následně je odvedeno do energetického zařízení – tepelný motor (2) získaná mechanická energie se pak transformuje na elektrickou v el. generátorech (3)
Kogenerační systémy Dolní kogenerační systémy •
•
•
nejdříve dochází k výrobě elektrické energie užitečná tepelná energie se získává z odváděného tepla z tepelného oběhu dolní kogenerační systémy se využívají více než horní (u HS je nutná poměrně velká vstupní teplota do tepelného oběhu)
Kogenerační technologie • • •
v KJ dolních KS se provádí plynulá přeměna primární energie obsažené v palivu Qpal na elektrickou energii E tepelnou energii, kterou nelze přeměnit na elektrickou, lze využít na dodávku tepla Quv kogenerační technologie lze z fyzikálního hlediska dělit do dvou skupin:
• •
s nepřímým způsobem přeměny energie s přímým způsobem přeměny energie
Kogenerační technologie Nepřímý způsob transformace energie •
•
přeměna energií je prováděna prostřednictvím více energetických transformací nejvíce využívaný způsob zahrnuje tři transformace
• uvolnění tepelné energie obsažené v palivu nebo • •
regenerace tepelné energie z primárního zdroje je získávána technická práce, která je využívána pro mechanický pohon spotřebičů mechanická energie se transformuje na elektrickou
Kogenerační technologie Přímý způsob transformace energie •
•
provádí se přeměna energie paliva přímo na elektrickou energii elektrická energie může být dále upravována (parametry napětí a proudu)
Zařízení kogenerační jednotky Kogenerační jednotka se může skládat ze: • • • •
zařízení pro úpravu primárního zdroje energie (paliva) primární jednotky (primárního motoru) zařízení pro výrobu a úpravu elektrické energie zařízení pro rekuperaci tepelné energie
Zařízení kogenerační jednotky Zařízení pro úpravu primárního zdroje •
•
upravuje parametry vstupní formy energie na hodnoty, se kterými pracuje primární jednotka úprava paliva může být založena na požadavku:
• zušlechtění paliva •
pro zvýšení energie v jednotce paliva
•
mění se hodnoty jednotlivých složek paliva
•
zabezpečují se vhodné podmínky pro dopravu paliva
• úpravy prvkového složení paliva • úpravy podmínek pro použití
Zařízení kogenerační jednotky Primární jednotka •
•
v PJ dochází k přeměně energie obsažené v palivu nebo v pracovní látce oběhu na ušlechtilejší formu energie primární jednotkou může být:
• tepelný motor • palivový článek
Zařízení kogenerační jednotky Zařízení pro výrobu a úpravu elektrické energie •
elektrický generátor
•
elektrický kondicionér (měnič)
• přeměňuje mechanickou energii na elektrickou • používá se v případě nutnosti změny parametrů elektrického proudu
Zařízení kogenerační jednotky Zařízení pro rekuperaci tepelné energie •
•
transformuje odváděný tepelný výkon na požadované parametry a formu nejběžnějšími teplonosnými médii vystupujícími z rekuperačních výměníků jsou:
• nízkoteplotní voda o teplotě do 100°C • vysokoteplotní voda o teplotě 150 – 200°C • vodní pára • teplý vzduch
Nepřímý způsob transformace energetických zdrojů v KJ • • • •
u nepřímých KJ se provádí uvolnění nebo regenerace tepelné energie z paliva v tepelném zdroji zisk technické práce se dá realizovat neustále se opakujícím procesem – pravotočivým tepelným oběhem pracovní látka je buď dodávána neustále nová, nebo obíhá opakovaně tepelné oběhy se rozdělují na:
• otevřené •
pracují s pracovní látkou v TO v plynném skupenství
•
pracují s pracovní látkou, ve které dochází ke změně skupenství (typickou látkou je voda a její plynná fáze – vodní pára)
• uzavřené
Nepřímý způsob transformace energetických zdrojů v KJ
nepřímý způsob transformace primární energie
Přímý způsob transformace energetických zdrojů v KJ •
•
na přímé přeměně elektrické energie je založena technologie palivových článků provádí se obrácená elektrolýza vody
Rozdělení kogeneračních technologií •
•
•
rozdělení přímých a nepřímých kogeneračních technologií lze provádět z mnoha hledisek základním prvkem určujícím kogenerační technologii je primární jednotka dále je možno dělit kogenerační technologie podle:
• použitého primárního paliva • maximálního dosažitelného výkonu • účelu využití • samotné technologie a efektivnosti nasazení KJ
Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle primárního paliva •
KJ pracující s obnovitelnými zdroji
• nefosilní zdroje energie (sluneční energie, energie
okolního prostředí, geotermální energie a biomasa)
•
KJ pracující s neobnovitelnými zdroji
• mezi neobnovitelné zdroje energie patří fosilní paliva
Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle dosažitelného výkonu •
výkonová hladina definuje kogenerační výrobu jako: • mikro-kogenerace – kogenerace do výkonu 50 kWE • mini-kogenerace – kogenerace do výkonu 500 kWE • kogenerace malého výkonu do 1 MWE • kogenerace středního výkonu do 50 MWE • kogenerace velkého výkonu nad 50 MWE
Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle účelu využití •
na základě způsobu aplikace KJ do systému zásobování energií lze technologie použité ve zdrojích dělit takto: • základní • špičkové • záložní • rezervní • specifické
Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle účelu využití •
podle druhu spotřeby je možno dělit kogenerační výrobu takto: • centralizované zásobování teplem • průmyslová kogenerace • kogenerace pro komerční sféru • kogenerace pro komunální sféru • kogenerace pro bytovou sféru
Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle efektivnosti nasazení • •
kogenerace se nasazuje v případech její větší efektivnosti oproti oddělené výrobě energií kogenerační technologie srovnatelné s oddělenou výrobou:
• • • • • • • • • •
kombinovaný cyklus s rekuperací tepla parní protitlaká turbína kondenzační turbína s odběrem páry plynová turbína s rekuperací tepla motor s vnitřním spalováním mikroturbíny motory Stirling palivové články parní turbíny organické Rankinovy cykly
Velká kogenerační zařízení •
•
využívají se v městských teplárnách a podnikových zařízeních výkonově jsou v oblasti od stovek kW až do několika MW
• • •
kogenerační jednotka se spalovací turbínou parní kombinovaná výroba tepla a elektřiny paroplynová výroba tepla a elektřiny
Malá kogenerační zařízení • •
•
výkon od desítek do stovek kW základní částí je obvykle pístový spalovací motor, který pohání generátor odpadní teplo z motoru je odváděno pomocí výměníků na dvou teplotních úrovních
• •
odvod tepla z bloku motoru a oleje cca 80 – 90°C odvod tepla z výfukových spalin cca 400 – 500°C
Základní parametry jednotlivých typů kombinované výroby elektřiny a tepla Typ teplárny
Podíl výroby elektřiny a tepla QEL/QTEP
Účinnost elektrická
Účinnost tepelná
Účinnost celková
El. výkon teplárny
(-)
(%)
(%)
(%)
( MW )
S parním strojem
0,16 - 0,25
8 - 12
60 - 67
68 - 87
0,1 - 2
S parními turbínami
0,24 - 0,34
12 - 15
6-8
72 - 80
0,15 - 100
Se spalovacími motory
0,7 - 1
32 - 41
44 - 53
82 - 90
0,1 - 10
Se spalovacími turbínami
0,5 - 0,8
23 - 38
36 - 50
68 - 85
2 - 100
Paro-plynové
0,5 - 1,5
35 - 44
32 - 50
78 - 87
5 - 200 a více
Hodnocení KVET z
z
hodnocení je prováděno podle základních ukazatelů, které charakterizují základní vlastnosti kogenerace hlavními ukazateli jsou: • • •
z
účinnost transformace primárního zdroje náklady na výrobu konečných forem energie vliv na životní prostředí
u kogenerace je potřeba vyhodnocovat také vhodnost instalace, zejména oproti oddělené výrobě elektrické a tepelné energie
Parametry kogeneračních jednotek z
parametry KJ popisují následující veličiny: • • • • •
fyzikální konstrukční provozní ekonomické enviromentální ......a jejich vzájemné závislosti
• hodnoty jednotlivých parametrů dělíme na: • •
statické dynamické (provozní charakteristiky)
Parametry kogeneračních jednotek
Energetické parametry KJ z
udávají energetické parametry transformačního řetězce • • • •
elektrický výkon tepelný výkon poměr elektrického a tepelného výkonu kvalita tepelné energie
Energetické parametry KJ elektrický výkon PE(t) z z
z
okamžitá hodnota, kterou je KJ schopna dodávat pásmo mezi minimálním a maximálním dodávaným výkonem se nazývá regulační pásmo jmenovitý výkon odpovídá provozu s maximální účinností
Energetické parametry KJ tepelný výkon PT(t) z
z
z
okamžitá hodnota, kterou lze z KJ využít pro dodávku tepla množství odebíraného tepelného výkonu je závislé na množství vyráběné elektrické energie v případě požadavku pouze na výrobu el. energie, je nutné zajistit odvod nevyužitého tepla
Energetické parametry KJ poměr el. a tep. výkonu σ z
charakterizuje možnosti kombinované dodávky KJ σ=
E P P E = E = E ,% = % QUV PT PT ,% QUV ,%
[−] ,
kde PE,% - procentní zastoupení el. výkonu na celkovém výkonu KJ PT,% - procentní zastoupení tep. výkonu na celkovém výkonu KJ - procentní zastoupení vyrobené el. energie na celkové E% výrobě KJ QUV,% - procentní zastoupení využité tep. energie na celkové výrobě KJ
modul teplárenské výroby elektrické energie
Energetické parametry KJ poměr el. a tep. výkonu σ
modul teplárenské výroby elektrické energie
Energetické parametry KJ poměr el. a tep. výkonu σ z
z
pomocí poměru σ můžeme vyjádřit procentní podíl el. nebo tep. výkonu na výrobě KJ při změně poměru výroby mezi el. a tep. energií musí vždy platit:
E% + QUV ,% = PE ,% + PT ,% = 100%
z
z
dosazením za procentní tepelný výkon z definice teplárenského modulu dostaneme vztah pro procentní proměnný el. výkon σ [−] PE ,% = 1+ σ a pro procentní proměnný tep. výkon 1 [−] PT ,% = 1+ σ modul teplárenské výroby elektrické energie
Energetické parametry KJ kvalita tepelné energie z
z
pro možnosti využití tepelné energie produkované KJ je rozhodujícím kritériem teplota teplo lze obecně charakterizovat jako •
•
vysokopotenciální • je vhodné pro průmyslové využití (výroba páry, vysoušecí procesy apod.) nízkopotenciální • akumuluje se převážně do vody pro teplárenské účely
Účinnost transformace primárního paliva z
s ohledem na konečné energetické formy jsou definovány účinnosti, které jsou zároveň parametry KJ • • •
elektrická účinnost tepelná účinnost celková účinnost
Účinnost transformace primárního paliva – elektrická účinnost ηE z
na základě bilanční hranice systému KJ je dána vztahem E E PE KVET ηE
=
Q pal
=
m pal ⋅ Qi
=
M pal ⋅ Qi
[−]
Účinnost transformace primárního paliva – tepelná účinnost ηT z
na základě bilanční hranice systému KJ je dána vztahem ηTKVET =
QUV QUV PT = = Q pal m pal ⋅ Qi M pal ⋅ Qi
[−]
Účinnost transformace primárního paliva – celková účinnost ηC z
z
ηC je účinnost přeměny energie přivedené v palivu na užitečně využitou energii je dána součtem jednotlivých účinností KVET ηCKVET = ηKVET + η = E T
z
E + QUV E + QUV P + PT = = E Q pal m pal ⋅ Qi M pal ⋅ Qi
[−]
z definice poměru el. a tep. energie můžeme určit závislost ηC na σ ⎛ 1⎞ ηCKVET = ηKVET ⋅ ⎜1 + ⎟ E ⎝ σ⎠
[−]
Účinnost transformace primárního paliva – celková účinnost ηC z
poměr elektrické a tepelné energie lze také vyjádřit pomocí účinností z předešlého vztahu KVET ηKVET η σ = EKVET = KVET E KVET ηT ηC − ηE
z
[−]
pro celkovou účinnost oddělené výroby platí vztah ηODV = C
E + QUV PE PT + ODV ODV ηE ηT
[−]
Ekonomické parametry z
ekonomické parametry jsou dány náklady, které se musí vynaložit: •
•
před uvedením do provozu • náklady na pořízení – cena jednotky • náklady na připojení při provozu
Ekonomické parametry cena jednotky z z
z
peněžní vyjádření nákladů na zakoupení KJ je úměrná použité technologii a jmenovitému elektrickému výkonu pro vzájemné porovnání se ceny vyjadřují v určité měnové jednotce vztažené na výkonové nebo konstrukční parametry
Ekonomické parametry náklady na připojení z
jsou závislé na: • • • •
z
umístění jednotky vyvedení a zapojení výkonů do KS odvodu odpadního tepla způsobu dodávky paliva
výška nákladů se mění podle konkrétních podmínek posuzované varianty nasazení KJ
Ekonomické parametry provozní náklady z
z
z
jejich hlavní složkou jsou náklady na spotřebované palivo a servisní náklady obvykle se vztahují na jednotku vyrobené energie – měrné náklady vyjádření celkových měrných nákladů je spojeno s celkovou dobou provozu KJ, a ta závisí na: • • •
době životnosti pohotovosti spolehlivosti
Ekonomické parametry provozní náklady z
doba životnosti TŽ • •
z
určuje minimální délku ideální možné provozuschopnosti je základním výpočetním ukazatelem při ekonomickém hodnocení efektivnosti nasazení a provozu KJ
pohotovost ph •
•
určuje provozuschopnost KJ během určitého období T (1 rok) doba pohotovosti Tph je menší než T (odstávky, pravidelná údržba....)
ph =
Tph T
=
T − (TOD , p ln + TOD , NPL ) T
[−]
Ekonomické parametry provozní náklady z
spolehlivost sp •
pravděpodobnost bezporuchového provozu za uvažované období T sp =
z
Tph T − TOD , p ln
=
T − (TOD , p ln + TOD ,npl ) T − TOD , p ln
[−]
provozuschopnost a spolehlivost jsou závislé na jednotkovém výkonu a druhu použité technologie
Provozní parametry z
z
z
během provozu KJ ke změně hodnot určitých parametrů ke změně dochází v závislosti na změně zatížení a změně pracovních podmínek provozní charakteristiky jsou ovlivněny změnou: • • •
zatížení KJ vnitřních parametrů KJ okolních podmínek
Provozní parametry změna zatížení KJ z
z
z
z
změna požadované hodnoty elektrického nebo tepelného výkonu jednotka nepracuje vždy na své nominální (maximální) hodnotě výkonu průběh změny účinnosti v závislosti na odebíraném výkonu je základní provozní charakteristikou KJ má velký vliv na hodnotící ukazatele provozu (úspora paliva, náklady, emise)
Provozní parametry změna vnitřních parametrů KJ z
z
představuje změnu veličin, při kterých KJ pracuje (teploty, tlaky, otáčky, napětí...) změna těchto parametrů má vliv na hodnotící parametry (účinnost, kvalita užitečně využitelné energie)
Provozní parametry změna okolních podmínek z
z
okolní podmínky se mění v důsledku meteorologické situace nebo s nadmořskou výškou výrobci udávají parametry při ISO podmínkách • • •
venkovní teplota 15°C relativní vlhkost vzduchu 60% atmosférická tlak 101 kPa
Vyhodnocení vhodnosti nasazení KJ z
z
provádí se na základě znalosti parametrů KJ a integračních vstupních a výstupních hodnot energetických toků mezi parametry, podle kterých se vyhodnocení provádí, patří: • • • • • •
úspora paliva snížení ztrát při dodávce el. energie snížení ztrát při dodávce tepla ekonomická výhodnost kogenerace omezení negativního vlivu na ŽP zvýšení spolehlivosti energetické dodávky
