Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych (J. Paska)
1. Idea wytwarzania skojarzonego w źródłach rozproszonych
Energia elektryczna 17%
a)
Rys. 1. Wytwarzanie energii
elektrycznej
i ciepła: rozdzielone (a)
w elektrowni kondensacyjnej
i ciepłowni
oraz skojarzone (b)
w elektrociepłowni
z turbiną gazową
i kotłem odzysknicowym
(odzyskowym)
Paliwo
(olej,
gaz lub
węgiel)
Elektrownia
45% kondensacyjna
η = 38%
55%
Ciepło
użytkowe
44%
Kocioł
grzewczy
η = 80%
b)
Paliwo
(olej
lub gaz)
100%
Turbina
gazowa
Energia elektryczna 28%
Kocioł
odzyskni68% cowy
η = 65%
Ciepło użytkowe 44%
28%
4%
11%
24%
straty
straty
Rys. 2. Schemat przemian energetycznych
i uproszczony obraz strat energii
w konwencjonalnej
elektrociepłowni parowej
Argumenty przemawiające za skojarzoną produkcją energii
elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych są takie same jak
w przypadku dużych elektrociepłowni:
Konkurencyjność:
Łatwość instalowania: skojarzone układy gazowo-parowe
dzięki budowie modułowej, wysokiej sprawności i niskim
wartościom emisji są bardzo łatwe do zainstalowania nawet
w regionach wysoce zurbanizowanych;
Gwarancja ciągłości dostaw: skojarzone układy gazowoparowe gwarantują ciągłość dostaw energii dzięki możliwości
wykorzystania różnych rodzajów paliw w tym samym
urządzeniu (gaz naturalny, gaz ciekły, olej napędowy, gaz z
wysypisk śmieci lub z oczyszczalni ścieków, biogaz);
Ekologia: układy gazowo-parowe realizujące wytwarzanie
skojarzone są najlepszym rozwiązaniem, jeśli na danym
terenie jest konieczne obniżenie emisji zanieczyszczeń.
2. Wytwarzanie skojarzone z wykorzystaniem turbin gazowych i silników tłokowych
Temperatura spalin na wylocie z silnika wysokoprężnego wynosi 400÷600°C przy mocy znamionowej i spada nieco przy mniejszym obciążeniu.
Ciepło spalin jest wykorzystywane do podgrzewania oleju opałowego ciężkiego (do temperatury 100÷110°C), którym silnik wysokoprężny jest
zasilany. Może ono być wykorzystywane w kotle odzyskowym (odzysknicowym) do wytwarzania pary lub gorącej wody dla odbiorców
zewnętrznych. Ciepło może być także odbierane od wody chłodzącej silnik. Ilość ciepła, którą można odzyskać ze spalin i z wody chłodzącej
silnik wynosi ok. 40÷50%. Taka gospodarka skojarzona może zwiększyć sprawność układu nawet do 80%.
Rys. 3. Schemat ideowy
i bilans energetyczny elektrociepłowni
z silnikiem tłokowym:
HRSG – odzyskowa wytwornica pary (Heat Recovery
Steam Generator)
Rys. 4. Układ CHP z gazowym silnikiem tłokowym:
G – generator
1
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych (J. Paska)
Rys. 5. Schemat układu do skojarzonego wytwarzania
energii elektrycznej i ciepła
z wykorzystaniem silnika spalinowego firmy Wärtsilä
NSD
Schemat konkretnej realizacji o mocy
elektrycznej 5,9 MW i mocy cieplnej 6,9 MW
(z wykorzystaniem silnika spalinowego firmy
Wärtsilä NSD)
W prostym układzie wytwarzania skojarzonego, z turbiną
gazową, ciepło spalin wylotowych z turbiny jest
odzyskiwane w kotle odzyskowym. Ilość i jakość
(ciśnienie, temperatura) pary wytwarzanej w kotle
odzyskowym (odzysknicowym) są ograniczone przez ilość
i temperaturę spalin. Istnieją konstrukcje kotłów
odzyskowych umożliwiające wytwarzanie pary o różnych
wartościach ciśnienia. Ponieważ spaliny wylotowe z
turbiny gazowej mają zawartość tlenu na poziomie
13%÷16%, więc jest możliwe dopalanie w kotle
odzyskowym w celu podniesienia parametrów (ilości)
wytwarzanej pary.
Rys. 6. Prosty układ skojarzony (turbina gazowa + kocioł
odzyskowy): K – komora spalania,
S – sprężarka, T – turbina, G – generator
Układ, w którym para z kotła odzyskowego jest
wykorzystywana do napędzania turbiny parowej, jest
nazywany układem kombinowanym gazowo-parowym.
W takich układach jest możliwe stosowanie turbin
parowych kondensacyjnych, upustowych lub
przeciwprężnych. Ciepło może być uzyskiwane ze
spalin wylotowych z turbiny gazowej, z pary
wytworzonej w kotle, z pary z upustów turbiny parowej,
czy też z wylotu turbiny przeciwprężnej (w zależności od
wymaganych parametrów). Podobnie jak w układzie
prostym, jest możliwe dopalanie w kotle odzyskowym,
ale zmniejsza ono całkowitą sprawność cyklu.
Rys. 7. Układ kombinowany gazowo-parowy
z kotłem odzyskowym:
S – sprężarka, T – turbina, G – generator, Qot – ciepło
oddawane do otoczenia
Rys. 8. Schemat ideowy układu CHP
z mikroturbiną gazową
2
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych (J. Paska)
Tabela 1. Charakterystyka techniczna podstawowych układów CHP
Typ urządzenia
Paliwo
Zakres mocy,
kW
Turbina parowa
dowolne
>250
Sprawność
elektryczna,
%
7÷20
Turbina gazowa,
układ prosty
olej, gaz ziemny i
inne gazowe
>350
15÷40
65÷85
jak dla turbiny
gazowej
>7300
35÷55
73÷85
do 1,45
2000÷17000
35÷42
65÷84
0,66÷0,91 (0,4 z
dopalaniem)
5÷6500
25÷40
70÷90
0,5÷1,0
25÷450
25÷30
75÷85
0,5÷0,65
Turbina gazowa
w układzie
kombinowanym
Silnik tłokowy
dwupaliwowy
Silnik tłokowy
gazowy
Mikroturbina
gaz ziemny + olej
napędowy
gaz ziemny i inne
gazowe
gaz ziemny
Sprawność
całkowita, %
Wskaźnik
skojarzenia
75÷84
0,1÷0,33
0,4÷0,8
(ok. 0,2 z
dopalaniem)
3. Wytwarzanie skojarzone z wykorzystaniem biomasy
Rys. 9. Klasyfikacja małych elektrociepłowni na biomasę
Rys. 10. Elektrociepłownia
z silnikiem tłokowym
zintegrowanym ze zgazowaniem
biomasy:
KW – kocioł wodny
3
Nośnik ciepła
para lub gorąca woda
para lub gorąca woda
para
o średnich parametrach,
gorąca woda
gorąca woda, rzadziej para
o niskich parametrach
gorąca woda, rzadziej para
o niskich parametrach
gorąca woda do 90°C
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych (J. Paska)
Rys. 11. Schemat cieplny elektrociepłowni ORC
z kotłem olejowym na biomasę
Organic Rankine Cycle – ORC jest to obieg elektrowni
parowej, w którym czynnikiem roboczym jest związek
organiczny. Pierwsza eksperymentalna elektrownia ORC
powstała w 1967 r. w miejscowości Paratunka
(Kamczatka, Rosja) i miała moc elektryczną 680 kW,
a zasilana była wodą geotermalną o temperaturze 81°C.
W układach ORC jako czynnik roboczy wykorzystuje się
związki organiczne, umożliwiające (dzięki odpowiednim
parametrom przemian fazowych) dokładne dostosowanie
do temperatury źródeł ciepła. Lekkie węglowodory
stosowane w układach ORC charakteryzują się ciepłem
parowania stanowiącym ok. 17% ciepła parowania wody.
Związki te spełniają w układzie taką samą rolę jak woda
w układzie parowym, jednakże pracują w innym
przedziale ciśnień (np. mogą skraplać się przy ciśnieniu
atmosferycznym). Instalacje ORC charakteryzują się
zwartą budową i niewielką ilością elementów
składowych, dodatkowo małe jednostki mogą być
uruchamiane i sterowane zdalnie, praktycznie bez
udziału obsługi.
Rys. 12. Schemat układu EC na biomasę z turbiną gazową
w obiegu odwróconym, z odzyskiem energii ze spalin w
kotle odzyskowym
W obiegu odwróconym turbiny gazowej spalanie jest
prowadzone przy ciśnieniu atmosferycznym, spaliny są
rozprężane w turbinie do zakresu podciśnienia, a na końcu
trafiają do sprężarki w celu ponownego sprężenia do ciśnienia
otoczenia (rys. 12). Zaletą takiego procesu jest możliwość
prowadzenia spalania przy ciśnieniu atmosferycznym.
Eliminuje to trudny do realizacji proces doprowadzenia paliwa
(w postaci biomasy) do ciśnieniowej komory spalania.
4. Wytwarzanie skojarzone z wykorzystaniem ogniw paliwowych i energii geotermalnej
Schemat układu elektrociepłowni z ogniwem paliwowym, zintegrowanej ze
zgazowaniem biomasy
Rys. 13. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w układzie z ogniwem paliwowym: 1 – odsiarczanie, 2 – reaktor
reformingu, 3 – CO-shift, 4 – dopalanie (katalityczne), 5 – falownik, 6 – wspomagający kocioł gazowy, 7, 8 – wymienniki ciepła,
OP – ogniwo paliwowe, Sp – spaliny, OD – odbiornik ciepła, E – energia elektryczna, Q - strumienie ciepła, S – sprężarka
Rys. 14. Uproszczony schemat elektrociepłowni geotermalnej:
Qg – ciepło grzewcze, Qr – ciepło niskotemperaturowe
Pozyskiwana z otworu eksploatacyjnego OW gorąca woda
przepływa przez geotermalny wymiennik ciepła oddając w nim
ciepło czynnikowi roboczemu (obiegowemu), np. wodzie.
Podgrzana w wymienniku woda obiegowa dopływa do wytwornicy
pary gdzie przechodzi w parę nasyconą wskutek obniżenia ciśnienia
w zaworze dławiącym ZD. Para nasycona dopływa do turbiny, gdzie
jej ciepło jest zamieniane na pracę, a następnie ulega skropleniu w
skraplaczu. Skropliny są ponownie wtłaczane do wymiennika
geotermalnego, mieszając się jednocześnie z wodą opuszczającą
rozprężacz.
4
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych (J. Paska)
Tabela 2. Wyniki obliczeń wielkości charakteryzujących efektywność energetyczną elektrociepłowni małej mocy
opalanych gazem ziemnym oraz biomasą
Wielkość
1
2
3
Rodzaj technologii
4
5
6
7
8
Średnioroczna sprawność wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu,
31,17 36,00 18,45 14,14 27,43 23,50 27,00 53,00
ηeEC [%]
53,49 48,50 64,00 68,36 54,07 60,60 55,00 25,50
Średnioroczna sprawność wytwarzania ciepła w skojarzeniu, ηcEC [%]
84,66 84,50 82,45 82,50 81,50 84,10 82,00 78,50
Średnioroczna sprawność ogólna, ηEC [%]
Oszczędność energii pierwotnej (paliwa), PES [%]
17,65 20,32 35,88 30,40 44,61 42,03 44,42 60,02
1 - elektrociepłownia z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, opalana gazem ziemnym; 2 – elektrociepłownia z silnikiem gazowym,
opalana gazem ziemnym; 3 - elektrociepłownia ORC, opalana biomasą; 4 - elektrociepłownia z turbiną parową przeciwprężną, opalana
biomasą; 5 - elektrociepłownia z silnikiem gazowym, zintegrowana z biologicznym generatorem biometanu; 6 - elektrociepłownia z turbiną
gazową pracującą w obiegu prostym, zintegrowana ze zgazowaniem biomasy; 7 - elektrociepłownia z silnikiem gazowym, zintegrowana ze
zgazowaniem biomasy; 8 - elektrociepłownia z ogniwem paliwowym, zintegrowana ze zgazowaniem biomasy
W jednostkowych kosztach wytwarzania energii elektrycznej uwzględniano: koszty kapitałowe, koszty paliwa, koszty remontów, koszty obsługi,
koszty środowiska oraz koszty finansowe. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 3. Obliczenia tych wielkości wykonano przyjmując jako dane
wejściowe wielkości charakteryzujące efektywność energetyczną poszczególnych układów oraz:
okres eksploatacji elektrociepłowni: z silnikiem gazowym 15 lat, z obiegiem ORC 20 lat, turbiną gazową 25 lat oraz turbiną parową 30 lat,
cenę sprzedaży ciepła w wysokości 29,58 zł/GJ,
cenę biomasy uprawowej 0,33 zł/kg, cenę biomasy odpadowej 0,17 zł/kg,
stopę dyskontową 7%.
Wszystkie analizowane technologie zostały podzielone na trzy grupy, z punktu widzenia ich obecnego stanu rozwoju w skali światowej,
a mianowicie: komercyjne (K), demonstracyjne (D) i pilotowe (P).
Tabela 3. Charakterystyka perspektywicznych technologii wytwarzania energii elektrycznej w źródłach rozproszonych
Lp.
Zdyskontowane
Stan
koszty wytwarzania
rozwoju
energii elektr.
technologii
na świecie [zł/MWh] (0 zł/t CO2)
Paliwo/technologia
Elektrociepłownie małej mocy opalane gazem ziemnym
Ciepłowniczy blok gazowy z turbiną gazową w obiegu prostym (0,5÷7,0 MW)
K
Ciepłowniczy blok z silnikiem gazowym (0,2÷3,0 MW)
K
Elektrociepłownie małej mocy opalane biomasą
3 Ciepłowniczy blok ORC małej mocy (0,5÷2,0 MW)
D
4 Ciepłowniczy blok parowy małej mocy (1,0÷3,0 MW)
K
5 Ciepłowniczy blok z silnikiem gazowym, z biologicznym generatorem biometanu (odpady) (0,1÷2,0
D
MW)
6 Ciepłowniczy blok z silnikiem gazowym, z biologicznym generatorem biometanu (biomasa) (0,1÷2,0
D
MW)
7 Ciepłowniczy blok z turbina gazową zintegrowany ze zgazowaniem biomasy małej mocy (0,5÷5,0
P
MW)
8 Ciepłowniczy blok z silnikiem gazowym, ze zgazowaniem biomasy małej mocy (0,1÷2,0 MW)
P
9 Ciepłowniczy blok z ogniwem paliwowym, ze zgazowaniem biomasy
P
Elektrownie małej mocy opalane biomasą
10 Blok z silnikiem gazowym, z biologicznym generatorem biometanu (odpady) (0,1÷2,0 MW)
D
11 Blok z silnikiem gazowym, z biologicznym generatorem biometanu (biomasa) (0,1÷2,0 MW)
D
Elektrownie wiatrowe i wodne małej mocy
12 Elektrownia wiatrowa (2,0 MW)
K
13 Elektrownia wodna małej mocy (150 kW)
K
1) czas wykorzystania mocy zainstalowanej T = 6 400 h/rok. 2) czas wykorzystania mocy zainstalowanej T = 4 400 h/rok.
1
2
1) 256 2) 298
1) 341 2) 402
1) 384 2) 548
1) 392 2) 554
1) 284 2) 446
1) 434 2) 596
1) 469 2) 663
1) 502 2) 702
1) 579 2) 799
1) 506 2) 668
1) 635 2) 656
380
470
Wśród technologii możliwych do szerszego zastosowania w najbliższych latach w elektrociepłowniach małej mocy, najniższymi kosztami
wytwarzania energii elektrycznej zdyskontowanymi na rok 2010 charakteryzują się skojarzone źródła rozproszone opalane gazem ziemnym,
to znaczy przede wszystkim ciepłownicze bloki gazowe z turbinami gazowymi pracującymi w obiegu prostym. Natomiast ciepłownicze bloki
gazowe z silnikami gazowymi – w których jednostkowe koszty wytwarzania energii elektrycznej zdyskontowane na 2010 rok dla elektrycznej
mocy zainstalowanej około 250 kW i czasu wykorzystania elektrycznej i cieplnej mocy zainstalowanej T = 6400 h/rok, wynoszą ok. 340 zł/MWh
–mogą uzyskać dodatnią efektywność ekonomiczną tylko w przypadku, gdy znaczna część wytwarzanej przez nie energii elektrycznej
będzie zużywana przez inwestora i w związku z tym w analizach ekonomicznych, będzie możliwe przyjęcie znacznie wyższego równoważnika
finansowego unikniętego kosztu zakupu zużywanej przez inwestora energii elektrycznej, w miejsce jej ceny sprzedaży.
Uszeregowanie technologii stosowanych w elektrowniach i elektrociepłowniach małej mocy (źródłach rozproszonych), według kryterium
jednostkowych kosztów wytwarzania energii elektrycznej, przyjmuje następującą postać:
ciepłowniczy blok z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, opalany gazem ziemnym (256 zł/MWh dla czasu wykorzystania mocy
zainstalowanej T = 6400 h/rok i 298 zł/MWh dla T = 4400 h/rok),
ciepłowniczy blok z silnikiem gazowym, opalany gazem ziemnym (341 zł/MWh dla T = 6400 h/rok i 402 zł/MWh dla T = 4400 h/rok),
blok elektrowni wiatrowej (380 zł/MWh),
ciepłowniczy blok ORC, opalany biomasą (384 zł/MWh dla T = 6400 h/rok i 548 zł/MWh dla T = 4400 h/rok),
ciepłowniczy blok parowy małej mocy, opalany biomasą (392 zł/MWh dla T = 6400 h/rok i 554 zł/MWh dla T = 4400 h/rok),
ciepłowniczy blok z silnikiem gazowym zintegrowany z biologicznym generatorem biometanu (434 zł/MWh dla T = 6400 h/rok
i 596 zł/MWh dla T = 4400 h/rok),
elektrownia wodna małej mocy (470 zł/MWh).
Natomiast ciepłownicze bloki: z turbinami gazowymi pracującymi w obiegu prostym, z silnikami gazowymi oraz z ogniwami paliwowymi,
zintegrowane ze zgazowaniem biomasy są obecnie dopiero na etapie badań pilotowych. Jednostkowe koszty wytwarzania energii elektrycznej
w tych jednostkach prawdopodobnie nie będą niższe niż 500 zł/MWh.
5