Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (KVET) Možnosti využití biomasy
Spotřeba PEZ – svět 2004
Výroba el. energie – svět 2004
Výroba el. energie – ČR 2004
Využití tepla KVET
• Vytápění • Ohřev TUV • Technologie • Chlazení
Význam KVET, proč použít? •
•
Vysoká celková účinnost přeměny (80-90 %) V případě decentralizované KVET odpadají ztráty při přenosu a rozvodu
Charakteristické ukazatele KVET •Teplárenský modul •Účinnost výroby el. energie ve zdroji KVET •Účinnost výroby tepla ve zdroji KVET •Celková účinnost zdroje KVET •Celková roční doba provozu zdroje KVET •Doba využití maximálního výkonu zdroje KVET •Výkonový teplárenský součinitel •Roční teplárenský součinitel
Charakteristické ukazatele KVET Teplárenský modul
σ = EKVET / QKVET [-] kde :
σ – Teplárenský modul [-] EKVET – Elektřina vyrobená v procesu KVET [GJ, MWh] QKVET – Teplo vyrobené v procesu KVET [GJ, MWh]
Charakteristické ukazatele KVET •Účinnost výroby el. energie ve zdroji KVET
ηelKVET = (EKVET / Qpal-KVET) . 100 [%] Kde :
EKVET - elektřina vyráběná ve zdroji KVET [GJ, MWh] Qpal-KVET - spotřeba tepla v palivu ve zdroji KVET [GJ, MWh]
Charakteristické ukazatele KVET Účinnost výroby tepla ve zdroji KVET
ηqKVET = (Quž-KVET / Qpal-KVET) . 100 [%] Kde :
Quž-KVET - užitečné teplo vyráběné ve zdroji KVET [GJ, MWh] Qpal-KVET - spotřeba tepla v palivu ve zdroji KVET [GJ, MWh]
Charakteristické ukazatele KVET Celková účinnost zdroje KVET
ηcelk KVET = [(EKVET + Quž-KVET) / Qpal-KVET] . 100 = = ηel KVET + ηq KVET [%]
Charakteristické ukazatele KVET Celková roční doba provozu zdroje KVET
τ – Celková doba provozu zdroje KVET představuje součet všech hodin provozu v průběhu celého roku bez rozlišení, zda se jednalo o provoz na částečný výkon nebo na trvalý výkon, zda se jednalo o provoz nepřetržitý v jednom časovém úseku, nebo přerušovaný, atd.
Charakteristické ukazatele KVET Doba využití maximálního výkonu zdroje KVET
τmax - Doba využití maxima (maximálního výkonu) je fiktivní doba, za kterou by bylo při stálém maximálním výkonu vyrobeno (dodáno) stejné množství energie, jako je tomu při reálném provozu zdroje v průběhu celého roku.
Charakteristické ukazatele KVET Výkonový teplárenský součinitel:
α = Pmax-KVET / Pmax-CZT [-] Kde :
Pmax-KVET - Maximální dosahovaný tepelný výkon zdroje KVET [MW] Pmax-CZT - Maximální tepelný příkon soustavy CZT [MW]
Charakteristické ukazatele KVET Roční teplárenský součinitel:
αr = QKVET / QCZT [-] Kde :
QKVET - Roční dodávky tepla do soustavy CZT ze zdroje KVET [GJ, TJ] QCZT - Roční potřeby tepla soustavy CZT [GJ, TJ]
Využití tepla KVET
Využití tepla KVET
Využití tepla KVET
Využití tepla KVET
Využití el. energie KVET
Jak realizovat KVET ? Již dříve běžné: hlavně centralizovaná KVET •
• • •
Oběhy s parní turbínou • Parní protitlaká turbína • Parní odběrová turbína ORC cyklus Oběhy s plynovou turbínou • Plynová turbína s rekuperací tepla Kombinovaný cyklus (paroplyn) • Paroplynové zařízení s dodávkou tepla
Nové ale běžné: počátky decentralizované KVET •
KVET na bázi pístových spalovacích motorů
Budoucnost: hlavně decentralizovaná KVET • • •
Mikroturbíny Stirlingův motor Parní motor (SteamCell)
Kogenerační jednotka
•
Nepřímá přeměna: pal. ⇒ tep. ⇒ mech. ⇒ el. en. • •
•
motory s vnitřním spalováním motory s vnějším spalováním
Přímá přeměna: pal. ⇒ el. en.
Účinnost •
•
• •
Celková účinnost (využití paliva) pro všechny typy KJ vždy cca 85 % Poměr mezi elektrickou a tepelnou účinností je určen použitou technologií KJ: ηel = 10-55 %, ηtep = 30-75 % Modul teplárenské výroby (power-to-heat ratio): σ = ηel/ηtep = Pel/Ptep
Pístové spalovací motory
Pístové spalovací motory
Pístové spalovací motory
Pístové spalovací motory •
• • • •
•
•
Pel = 10 kW – 5 MW
ηel = 25-43 % (roste s výkonem) σ = 0,6-1 Palivo: zemní plyn, bioplyn, topný olej, nafta Výhody: spolehlivá a vyzkoušená technologie, široká výkonová řada, vysoká ηel Nevýhody: emise, údržba, hlučnost, nízkopotenciální teplo Cena: cca 20.000 – 35.000 CZK/kWe
Rankinův cyklus – RC
Rankinův cyklus – RC
Organický Rankinův cyklus – ORC
Organický Rankinův cyklus – ORC Carnotův cyklus:
Organický Rankinův cyklus – ORC
Organický Rankinův cyklus – ORC
Organický Rankinův cyklus – ORC
Organický Rankinův cyklus – ORC
Organický Rankinův cyklus – ORC
Organický Rankinův cyklus – ORC Stadtwärme Lienz Palivo
ORC teplárna Třebíč
Teplárna Trhové Sviny
dřevní štěpka
dřevní štěpka
dřevní štěpka
MWt
5,8
6,6
3,5
tepelný
MWt
4,65
5,38
2,8
elektrický
MWe
1
1
0,6
tepelná
%
80
80,5
80
elektrická
%
18
17
17,1
hod/rok
7200
5500
7000
Dodávka tepla z biomasy *
MWh/rok
60000
35800
8400
Dodávka el. energie z biomasy
MWh/rok
7200
5500
4200
Kč/t
1250
720
350
Celková investice **
mil. Kč
231
194
115
Uvedení do provozu
rok
2003
2005
2005
MWt
24,5
44,4
14,8
m
37500
14700
8400
Tepelný výkon kotle Výkon jednotky ORC
Účinnost zařízení při jm.výkonu Roční využití jednotky ORC
Průměrná cena paliva
Celkový tepelný výkon teplárny *** Délka rozvodů SCZT
ORC •
• • •
•
•
•
Pel = 100 kW – 1 MW
ηel = 15-18 % σ = 0,2-0,25 Palivo: „cokoliv“ (vnější spalování), biomasa, geotermální e., solární e. Výhody: nižší nároky na materiál, nižší provozní náklady, využití nízkopotenciálových zdrojů tepla Nevýhody: složitější technologický systém – nevhodný pro mikrokogeneraci, nízký teplárenský modul Cena: VYSOKÁ (2 pilotní provozy v ČR: Třebíč, Trhové Sviny 150.000 – 200.000 CZK/kWe)
Ekonomika RC a ORC
Ekonomika OC
Mikroturbíny Malé kompaktní spalovací turbíny (otáčky cca 80.000 min1)
Mikroturbíny
Mikroturbíny • • • • • • •
Pel = 30 kW – 200 kW ηel = 20-30 % 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) Cena: 1.000-1.300 EUR/kWe
Parní motor Uzavřený parní oběh, jinak jako parní stroj Vhodný tam, kde se používá pára, ale nevyplatí se parní turbína
Parní motor
Parní motor
Parní motor
Parní motor
Parní motor
Parní motor
Parní motor
Parní motor •
• • • •
• •
Pel = 10-120 kW
ηel = 10-20 % σ = 0,15-0,25 Palivo: „cokoliv“ (vnější spalování) Výhody: možnost použití páry o nízkých parametrech, dlouhá životnost (200.000 h) Nevýhody: hlučnost, náročná údržba Nevhodný pro nově budované KVET systémy
Parní článek – SteamCell Nový typ parního motoru – uzavřený parní cyklus, nízkoemisní hoření bez plamene v keramické pórovité látce
Parní článek – SteamCell Dosud není komerční produkt Využití pro domácí mikrokogeneraci
Parní článek – SteamCell •
Pel = 4,6 kW, Ptep = 22 kW
•
ηel = 16,5 %, ηcelk = 95 % (!!!)
• •
•
Palivo: zemní plyn, do budoucna jiné plyny Výhody: nízké emise, malá hlučnost, nízké nároky na údržbu, kompaktnost, vysoká dynamika změny zátěže, vysoká regulovatelnost (Pelmin = 0,5 kW) Cena: ??? EUR/kWe
Stirlingův motor „Horkovzdušný“ motor s vnějším spalováním
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor
Stirlingův motor •
• • • •
• •
Pel = 1 kW – 50 kW
ηel = 10-30 % σ = 0,15-0,6 Palivo: „cokoliv“ (vnější spalování), geo, solár Výhody: nízké emise, malá hlučnost, nízké nároky na údržbu, variabilita paliva Nevýhody: nízká dynamika změny zátěže Cena: 1.100-1.300 EUR/kWe
