AVAGY Christian Friedrich Schoenbein és MCFC ALKALMAZÁSOK: William Robert Grove (1839-1868), TÜZELİANYAG-FLEXIBILIS
KISERİMŐVEK, továbbá KITEKINTÉS A MINDENNAPOK Oláh György professzor úr VILÁGÁBA nyomában
Dr. BOGÁNYI GYÖRGY BOGÁNYI ÉS FIA MŐSZAKI FEJLESZTİ ÉS KERESKEDELMI KFT. http://www.boganyi.com
[email protected]
HANGSÚLYOS PONTOK BEMUTATÁSA •
Kogeneráció – és a hozzá kapcsolódó EU direktívák
•
A fejlesztés célkitőzései
•
Az MCFC mőködési elve
•
Flexibilis tüzelıanyag-ellátás és az MCFC kapcsolata
•
Az MCFC tulajdonságai
•
MCFC hibrid rendszerek
•
Rendszerintegrációs lehetıségek, kitekintés a jövıbe
•
Összefoglalás
A 2004/8/EU DIREKTÍVA: KOGENERÁCIÓ A HASZNOS HİIGÉNY ALAPJÁN AZ EU BELSİ PIACÁN A KIEMELT KAPCSOLÓDÓ DIREKTÍVÁK HALMAZA: •
2003/54/EU, 2003. JÚNIUS 26. EGYSÉGES SZABÁLYOK A BELSİ VILLAMOSENERGIAKERESKEDELEMRİL
•
2009/72/EK, 2009. JÚLIUS 13. AZ EURÓPAI PARLAMENT ÉS TANÁCS IRÁNYELVE A VILLAMOS ENERGIA BELSİ PIACÁRA VONATKOZÓ KÖZÖS SZABÁLYOKRÓL ÉS A 2003/54/EK IRÁNYELV HATÁLYON KÍVÜL HELYEZÉSÉRİL
A 2004/8/EU DIREKTÍVA: KOGENERÁCIÓ A HASZNOS HİIGÉNY ALAPJÁN AZ EU BELSİ PIACÁN A KIEMELT KAPCSOLÓDÓ DIREKTÍVÁK HALMAZA: •
2001/77/EU, 2001. SZEPTEMBER 27. VILLAMOSENERGIA-TERMELÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOKKAL AZ EU BELSİ PIACÁN
•
2009/28/EK , 2009. ÁPRILIS 23. AZ EURÓPAI PARLAMENT ÉS TANÁCS IRÁNYELVE A MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSBÓL ELİÁLLÍTOTT ENERGIA TÁMOGATÁSÁRÓL, VALAMINT A 2001/77/EK ÉS A 2003/30/EK IRÁNYELV MÓDOSÍTÁSÁRÓL ÉS AZT KÖVETİ HATÁLYON KÍVÜL HELYEZÉSÉRİL
A 2004/8/EU DIREKTÍVA: KOGENERÁCIÓ A HASZNOS HİIGÉNY ALAPJÁN AZ EU BELSİ PIACÁN A KIEMELT KAPCSOLÓDÓ DIREKTÍVÁK HALMAZA: •
2002/91/EU, 2002. DECEMBER 16. ÉPÜLETEK ENERGETIKAI TULAJDONSÁGAI
•
2000/76/EU, 2000. DECEMBER 4. HULLADÉKÉGETİK
A DIREKTÍVÁK ÜZENETEI
ÁTLÁTHATÓSÁG FENNTARTHATÓSÁG
SZÁMSZERŐSÍTHETİSÉG
TÁRSADALMI HASZNOSSÁG
A KOGENERÁCIÓ, MINT KIFEJEZÉS AZ ALÁBBI MŐSZAKI MEGOLDÁSOK HALMAZÁT JELENTI •
KOMBINÁLT CIKLUSÚ GÁZTURBIN A HİHASZNOSÍTÓ RENDSZERREL
•
ELLENNYOMÁSOS MEGCSAPOLÁSOS GİZTURBINA
•
KONDENZÁCIÓS GİZTURBINA
•
GÁZTURBIN A HİHASZNOSÍTÓ RENDSZERREL
•
BELSİ ÉGÉSŐ MOTOROK
•
MIKROTURBINÁK
•
STIRLING - MOTOROK
•
TÜZELİANYAG - CELLÁK
•
GİZGÉPEK
•
SZERVES RANKINE KÖRFOLYAMATOK
•
AZ ELİBBI RENDSZEREK TETSZİLEGES KOMBINÁCIÓJA, VALAMINT AZ ALAPDEFINÍCIÓNAK MEGFELELİ TOVÁBBI RENDSZEREK
A KOGENERÁCIÓ ALKALMAZÁSI TERÜLETEI •
IPARI KOGENERÁCIÓ
•
HİTERMELÉS KOGENERÁCIÓVAL
•
HİHASZNOSÍTÁS: TÁVFŐTÉS
MEZİGAZDASÁGI KOGENERÁCIÓ
•
HİHASZNOSÍTÁS: TECHNOLÓGIÁTÓL FÜGGİEN GİZ-, FORRÓVÍZ-, MELEGVÍZ-ELLÁTÁS
HİHASZNOSÍTÁS: MELEG- ÉS ÜVEGHÁZAK FŐTÉSE, BIOGÁZREAKTOROK TEMPERÁLÁSA, HŐTİHÁZAK ENERGIAELLÁTÁSA
1000 m2 -NÉL NAGYOBB HASZNOS TERÜLETTEL RENDELKEZİ ÉPÜLETEK ENERGIAELLÁTÁSA
HİHASZNOSÍTÁS: KLIMATIZÁCIÓ, TRIGENERÁCIÓ
A FEJLESZTÉS CÉLKITŐZÉSEI CÉL : MAXIMÁLIS HATÉKONYSÁGÚ VILLAMOSENERGIA - TERMELÉS •
KAPCSOLT TERMELÉS ALKALMAZÁSA
•
MAXIMÁLIS ÁRAMSZÁMRA VALÓ TÖREKVÉS
•
INNOVATÍV RENDSZERTECHNIKAI MEGOLDÁSOK KIDOLGOZÁSA
•
INNOVATÍV ALAPBERENDEZÉSEK ALKALMAZÁSA
•
FLEXIBILIS TÜZELİANYAG - ELLÁTÁS MEGTEREMTÉSE: FOSSZILIS SZÉN BÁNYAGÁZ FÖLDGÁZ ÉS SZÁRMAZÉKAI KÍSÉRİGÁZ KİOLAJSZÁRMAZÉKOK, LOGISZTIKAI TÜZELİANYAGOK MEGÚJULÓ BIO- és DEPÓNIAGÁZ BIODÍZEL BIOALKOHOL SZÁRMAZÉKOK, METANOL, ETANOL
A MCFC MŐKÖDÉSI ELVE
Kimerült oxidáló anyag és képzıdött gázok + CO2
Kimerült tüzelıanyag
Tüzelıanyag
Anód
Oxidáló anyag Elektrolit (olvasztott karbonát)
H 2 + CO32− → H 2O + CO2 + 2e − CO + CO32− → 2CO2 + 2e −
Katód
O2 + 2CO2 + 4e − → 2CO32−
Mőködési hımérséklettartomány 600-650 °C
A METÁN REFORMER FOLYAMATA H 2O
CH4 CO
H 2O
CO + 3H2 CO2 + H2
KATALIZÁTOR
Hİ CH4 + 2H2O
CO2 + 4H2
∆H = 165 kJmol-1 •
KATALIZÁTOR: NIKKEL
•
MINIMÁLIS ÜZEMI HİMÉRSÉKLET: 600 °C
MCFC MŐKÖDÉSI ELVE METÁN TARTALMÚ ÜZEMANYAG ESETÉN
CH4, H2O
Nikkel katalizátor
Reformer folyamat
CH4 + H2O → CO + 3H2 CO + H2O → CO2 + H2
H2 + CO32- → H2O + CO2 + 2e-
Olvasztott karbonát elektrolit mátrix Katód
CO2 + ½O2 + 2e- → CO32-
O2, CO2
CO32-
Anód folyamat 2 e-
H2O, CO2
Anód
Katód folyamat
Füstgáz Mőködési hımérséklet: 650 ºC Forrás: MTU Fluel Cell System
HOT MODUL A VALÓSÁGBAN Rendszer demonstráció Ruhrgas / Dorsten 1997 Funkcionális mőködés Az elsı kísérleti telepítés bemutatás Városi erımő, Bielefeld 1999 ”first of it’s kind” 16.000 futásidı Továbbióra telepítések Összhangban a felhasználói elvárásokkal Technológiai megújulás és fejlıdıképesség
Forrás: MTU Fluel Cell System
REFORMEREK A VALÓSÁGBAN
Üzemanyag módosító – reformer
Metanol - rack Forrás: MTU Fluel Cell System
RENDSZERINDÍTÁS FÖLDGÁZZAL, BAD-BERKA Load Profile Diagram from 10/01/03 to 03/05/04 300,00
Power [kW] and Stackvoltage [V]
250,00
200,00
Power-DC [M30253] Power-AC [M10146]
150,00
100,00
50,00
0,00 01.10.03
16.10.03
31.10.03
16.11.03
01.12.03
17.12.03
01.01.04
16.01.04
01.02.04
16.02.04
03.03.04
18.03.04
Time
Forrás: MTU Fluel Cell System.
T-Systems Data Centre
Forrás: MTU Fluel Cell System
A flexibilis tüzelıanyag-ellátás és az MCFC kapcsolata IPARI GÁZOK
KÍSÉRİ GÁZ
FÖLDGÁZ
SPECIFIKUS GÁZTISZTÍTÁSI TECHNOLÓGIÁK
KİOLAJSZÁRMAZÉKOK
SPECIFIKUS REFORMEREK
MCFC TECHNOLÓGIA
ETANOL
DEPÓNIAGÁZ
PIROLITIKUS ÉGETÉS
SZÉN
BIOGÁZ
BIOMASSZA
METANOL
AZ MTU KUTATÁSI EREDMÉNYEINEK BEMUTATÁSA Az MCFC technológia és a flexibilis tüzelıanyag-ellátás kapcsolata: • Földgáz: többszázezer üzemórás gyakorlati tapasztalat, 20 referenciahely • Biogáz: laborkísérletek és 4 db referenciahely • Biomassza pirolitikus égetése: tervtanulmány • Depóniagáz: laborkísérletek, 2004. • Bányagáz: tervtanulmány • Szén pirolitikus égetése: laborkísérletek, 1994. • Iparihulladék-gázok: tervtanulmány • Metanol: laborkísérletek és 1 db referenciahely • Etanol és egyéb alkoholszármazékok: laborkísérletek, 1996. • LPG laborkísérletek: 1995. • Gázolaj és benzin: tervtanulmány
A BIOGÁZ ÉS A VILLAMOS HATÁSFOK KAPCSOLATA Tüzelőanyag: CH4 / CO2
Forrás: MTU Fluel Cell System
RENDSZERINDÍTÁS BIOGÁZZAL HM 300-21 Ahlen: Sewage Gas Operation 250
100 Power Net 90
Efficiency Net 200
80
150
60
50
100
40
Net Efficiency [%]
Electrical Power (Net) [kW]
70
30
50
20
10
0 02. Sep
0 03. Sep
04. Sep
05. Sep
06. Sep
07. Sep
Forrás: MTU Fluel Cell System
RELATÍV EMISSZIÓS ÉRTÉKEK Emisszió mg/MJ
120
NMHC NOx CO
100
80
60
40
20
0 Gázmotorok
Mikroturbinák
Gáz turbinák
Tüzelıanyag-cellák
Forrás: MTU Fluel Cell System
AZ MCFC TECHNOLÓGIÁVAL MŐKÖDİ KOGENERÁCIÓS RENDSZEREK ELİNYEI ÉS KORLÁTAI 1 AZ ELİNYÖK ÖSSZEFOGLALÁSA:
•
PLATINAMENTES STACK - KONSTRUKCIÓ
•
SZERKEZETI ANYAGOKAT NEM KÁROSÍTÓ MŐKÖDÉSI HİMÉRSÉKLET
•
KIMAGASLÓ, 45-47 %-os VILLAMOS HATÁSFOK
•
40-100 %-ig TERJED A TELJESÍTMÉNYSZABÁLYOZÁS ÁTFOGÁSI TARTOMÁNYA, KÖZEL ÁLLANDÓ VILLAMOS HATÁSFOK MELLETT
•
KÉNYSZERHŐTİ ALKALMAZÁSA NEM SZÜKSÉGES
•
KIMAGASLÓ PRIMER ENERGIAMEGTAKARÍTÁSI LEHETİSÉGET HORDOZ
AZ MCFC TECHNOLÓGIÁVAL MŐKÖDİ KOGENERÁCIÓS RENDSZEREK ELİNYEI ÉS KORLÁTAI 2 AZ ELİNYÖK ÖSSZEFOGLALÁSA: •
MINIMÁLIS EMISSZIÓS TERHELÉS AZ EDDIG ALKALMAZOTT KOGENERÁCIÓS TECHNOLÓGIÁKHOZ KÉPEST
MCFC ELİKEZELT FÖLDGÁZ ESETÉN: SO2 = 0,01 ppm, NEM MÉRHETİ NO2 = 1-2 ppm, A MÉRHETİSÉG HATÁRA CO = 9-10 ppm CO2 = NAGYSÁGRENDILEG HARMADA A HAGYOMÁNYOS TÜZELÉSTECHNIKAI MÓDSZEREKHEZ KÉPEST
MCFC KONDÍCIONÁLT ÉS TISZTÍTOTT BIOGÁZ ESETÉN: SO2 = 0,01 ppm, NEM MÉRHETİ NO2 = 1-2 ppm, A MÉRHETİSÉG HATÁRA CO = 9-10 ppm CO2 = NAGYSÁGRENDILEG FELE A HAGYOMÁNYOS TÜZELÉSTECHNIKAI MÓDSZEREKHEZ KÉPEST, MIVEL A BIOGÁZ ÖNMAGÁBAN SZÉN-DIOXIDOT IS TARTALMAZ
AZ MCFC TECHNOLÓGIÁVAL MŐKÖDİ KOGENERÁCIÓS RENDSZEREK ELİNYEI ÉS KORLÁTAI 3 AZ ELİNYÖK ÖSSZEFOGLALÁSA:
•
DECENTRALIZÁLT RENDSZEREK KIÉPÍTÉSÉRE IDEÁLIS ESZKÖZ
•
ADOTT ALKALMAZÁSI KÖRÜLMÉNYEKHEZ ILLESZKEDİ PRIMER ENERGIAELLÁTÁST TESZ LEHETİVÉ
•
RUGALMAS, KÖNNYEN KEZELHETİ HİHASZNOSÍTÁSI LEHETİSÉGET TEREMT
•
ALACSONY ZAJSZINT MELLETT ÜZEMEL, ZAJCSILLAPÍTÓ BURKOLAT KIÉPÍTÉSE NEM SZÜKSÉGES
•
ÜZEMELTETÉSI KÖLTSÉGE ALACSONY, GYAKORLATILAG A TÜZELİANYAG ÁRA
•
AZ EDDIGI ÜZEMELTETÉSI TAPASZTALATOK SZERINT KARBANTARTÁST NEM IGÉNYEL
AZ MCFC TECHNOLÓGIÁVAL MŐKÖDİ KOGENERÁCIÓS RENDSZEREK ELİNYEI ÉS KORLÁTAI 4 A KORLÁTOK ÖSSZEFOGLALÁSA: •
A BEÉPÍTETT ÉS JELENLEG ÜZEMELİ BERENDEZÉSEK VILLAMOS TELJESÍTMÉNYÉNEK MEGOSZLÁSA: JAPÁN és KOREA: 8,25 MW KALIFORNIA: 9.00 MW USA EGYÉB TERÜLETEI: 4,50 MW EURÓPA: 4,25 MW
•
A VILLAMOS EGYSÉGTELJESÍTMÉNY VÁRHATÓ FELSİ HATÁRA 20 MW
•
JELENLEG A FAJLAGOS BERUHÁZÁSI KÖLTSÉG VISZONYLAG MAGAS
•
A „STACK” VÁRHATÓ ÉLETTARTAMA 40.000 ÜZEMÓRA
MCFC - HIBRID RENDSZEREK TULAJDONSÁGAI NERNST EGYENLET
P = 200 – 2.000 kW η = 45 %
ELEKTROKÉMIA, THERMODINAMIKA
P = 100 - 200 MW MCFC STACK KONSTRUKCIÓ
η = 75 %
ALACSONY NYOMÁS
MAGAS NYOMÁS
p < 0,5 bar
0,5 < p < 20 bar
P = 300 – 40.000 kW
MCFC HIBRID
?
GÁZTURBINA
THERMODINAMIKA
η = 52 - 75 %
MCFC - HIBRID RENDSZER FELÉPÍTÉSE TÜZELİANYAG VÍZ
ANÓD
KATALITIKUS ÉGETİ
EXPANDER
KATÓD
GÁZTURBINA
BELSİ HİHASZNOSÍTÁS
KOMPRESSZOR
LEVEGİ
LEVEGİ
KIPUFOGÓ GÁZ
RENDSZERTULAJDONSÁGOK Egyszerő ciklus
Hibrid rendszer intercoolerrrel és utóhevítıvel
Hibrid rendszer egyfokozatú kompresszorral és expanderrel
Tüzelıanyag-cella tulajdonságai Cellafeszültség mV
826
817
826
817
817
817
Tüzelıanyag hasznosulás %
94
78
94
78
78
78
DC villamos teljesítmény MW
22.27
22.03
22.27
17.62
17.62
17.62
AC villamos teljesítmény MW
21.75
21.52
21.49
17
17
17
Kompresszor teljesítménye MW
3.84
5.84
4.95
3.79
Expander teljesítménye MW
5.58
9.35
6.6
5.9
Nettó DC teljesítmény MW
1.73
3.51
1.65
2.11
Nettó AC kimenı teljesítmény MW
1.7
3.44
1.62
2.07
Tüzelıanyag-cella üzemi állapota
Turbina üzemállapota
Egyéb veszteségek MW
0.26
0.26
0.03
0.03
0.03
0.03
Nettó AC kimenı teljesítmény
21.49
21.26
23.16
20.41
18.59
19.04
Villamos hatásfok
72%
58%
78%
71%
65%
66%
SZELLEMES RENDSZERINTEGRÁCIÓS LEHETİSÉGEK • Biogáz hasznosítás MCFC alaptechnológiával + szuperkapacitás + napelem • Intelligens gáznyomás-csökkentés MCFC alaptechnológia + gázturbina
A TÜZELİANYAG-CELLÁS RENDSZEREK FENNTARTHATÓ FEJLESZTÉSÉNEK VIZSGÁLATA A TÜZELİANYAG-ELLÁTÁS ÉS HASZNOSÍTÁS TÜKRÉBEN • MŐSZAKI • KÖRNYEZETVÉDELMI • GAZDASÁGI • TÁRSADALMI • JOGI • PÉNZÜGYI • LOGISZTIKAI • OKTATÁSI
KÖSZÖNÖM, KÖSZÖNÖM, HOGY MEGHALLGATTAK, VÁROM KÉRDÉSEIKET !
