ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov. Budovy a energie Obnovitelné zdroje energie

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov Budovy a energie Obnovitelné zdroje energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Verze 2.17 Systémy CZT 2 1

2 Centrální zásobování teplem 3 Zdroj tepla Distribuční soustava Předávací stanice Otopná soustava Centrální zásobování teplem Okrskové výtopny:110/70 C Průmyslové výtopny: 130/70 C Teplárny: 120/70 C ; 130/70 C ; 150/70 C Distribuční soustava Zdroj tepla Předávací stanice Otopná soustava 4 2

3 Zdroje tepla Velké zdroje tepla (>3500kW) vyrábějí tepelnou energii a zásobují teplem velké územní celky Zdroje pro CZT Okrskové kotelny 2-20MW Výtopny 20-35MW Teplárny 20-60MW Teplonosná látka zdroj-soustava Pára-pára Pára-voda Voda-voda Voda-pára (primární okruh horká voda >110 C, tlak >1,6MPa, sekundární okruh teplá voda <90 C, tlak <50kPa) 5 Distribuční soustava Uložení potrubí kanály bezkanálové Kolektory povrchové a) b) c) d) 6 3

4 Distribuční soustava -Kolektory Inženýrská stavba pro vedení a ukládání inženýrských sítí (trubních i kabelových). Sítě jsou tak přístupné pro stálé kontroly, opravy a údržbu. Ražené, hloubené z povrchu (často z prefabrikátů), podchody pod komunikacemi, technické chodby v suterénech budov. V ČR především Praha (90km), částečně Brno. Teplota 14 C, průměr 2-4,5m 7 Trubkové U -trubky Stavebnicové Deskové šroubované Pájené Vlásečnicové Výměníky tepla 8 4

5 Domovní předávací stanice Kompaktní předávací stanice Domovní předávací stanice 9 Biomasa 10 5

6 Biomasa Biomasa je hmota organického původu (rostlinného i živočišného). Rostlinná biomasa (fytomasa) složena z vody, oxidu uhličitého ze vzduchu, malého procenta různých prvků způdy a za existence fotosyntézy a slunečního záření o volné vlnové délce 0,38 až 0,79 mikronů: 6 CO H 2 O + energie + stopové prvky = C 6 H 12 O O 2 Vytváří se cukry, škrob, lignin, bílkoviny, tuky, latexy, vláknina-celulóza a další látky. Fotosyntéza -pomocí zeleného barviva (chlorofylu) je zachycována do org. sloučenin sluneční energie. Hlavní přínosy biomasy: redukce skleníkových plynů snížení závislosti na dovozu energie regionální rozvoj 11 Biomasa Způsoby získávání energie Termo-chemicky (spalování)-problematika vlhkosti- např. dřevo za 1,5 roku w=20%, výhřevnost závisí na množství hořlaviny (organická část, směs hořlavých uhlovodíků). Spalování přímé nebo spalování vyrobených kapalných nebo plynných produktů (olej,..) C 6 H 12 O O 2 = 6 CO H 2 O + energie + popel Bio-chemicky (fermentace, alkoholové kvašení, anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (bioplyn)) Mechanicko-chemická přeměna (lisování olejů, štípání, drcení, lisování, peletování, výroba bionafty) 12 6

7 Biomasa Pěstovaná k energetickým účelům Lignocelolůzové Dřeviny (vrba, olše), obiloviny Travní porosty (sloní tráva) Ostatní porosty (šťovík,..) Olejnaté (řepka, slunečnice) Škrobo-cukernaté (brambory, kukuřice) 13 Odpadní produkty Biomasa Rostlinné odpady - zemědělská prvovýroba (řepková sláma, sekaná tráva, sláma..) Lesní odpady (dendromasa) -nevyužitá stromová hmota po lesní výrobě (větve, pařezy) Organické odpady z průmyslové výroby (dřevařská výroba, cukrovary, mlékárny,..) Odpady ze živočišné výroby (hnůj, kejda,..) Komunální organické odpady (kal, komunální tuhý odpad) nizkoenergetickydomek.cz 14 7

8 Biomasa Rychle rostoucí rostliny Dřeviny (RRD)-výmladkové platáže využitelnost po 8 letech, životnost let nejedná se o zemědělskou půdu, (cca 1h/1RD) topoly, vrby (ověřované jilm, olše) Byliny (energetické byliny) Jednoleté, víceleté, vytrvalé, nižší energetický zisk např. šťovík, sklizeň od 2 roku každý rok, životnost 10 let, cena energie cca 100 Kč/GJ Rostliny obsahující škrob a cukr výroba etanolu (brambory, kukuřice) Olejnaté rostliny výroba oleje, využití vedlejších produktů (řepka, slunečnice) 15 Sklizeň rostlin Biomasa 16 8

9 Biomasa Palivo upravené do lépe využitelné podoby: (výroba paliva-cena energie-dostupnost) štěpka-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna, kotelny na automatické spalování biomasy dřevo-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna dřevní brikety-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová kamna piliny- kotle na kusové dřevo, kotelny na automatické spalování biomasy pelety-slisované piliny a hobliny v podobě malých válečků. Umožňují automatizovat dopravu paliva do kotle. Výhřevnost do 18MJ/kg 17 Biomasa Pelety použití: automatické kotle na obilí a pelety, kotelny na automatické spalování biomasy Pelety z řepky Pelety ze šťovíku Dřevní pelety s kůrou Dřevní pelety bez kůry Obilniny Použití: automatické kotle na obilí a pelety pšenice, oves, hořčice 18 9

10 Termíny Výhřevnost -množství tepla, uvolněného dokonalým spálením jednoho kilogramu paliva při stejné teplotě, vodní pára nezkondenzuje Spalné teplo -je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1kg paliva o teplotě 20 C při ochlazení spalin znovu na 20 C, přičemž zkondenzuje vodní pára zpět na vodu Obsah vody max 100% m1 hmotnost vzorku surového dřeva m2 hmotnost vzorku po vysušení Technický pohled Dřevozprac. průmysl 19 Energetické vlastnosti Biomasa 20 10

11 Spalování biomasy přímé spalování ekonomické u produktů ze dřeva (polena, štěpka, brikety, pelety) a slámy nutný nízký obsah vlhkosti u slámy vysoký obsah létavých částeček zplyňování přeměna pevných paliv v plynná paliva teploty 500 až 1200 C, způsob konverze ligninu (tvoří cca % biomasy), kdy je objem hmoty redukován až o 90 %. Jako vstupní surovinu na výrobu syntetického plynu lze použít různé druhy obilovin, trávu, rychle rostoucí dřeviny (topoly, vrby). Nejlepší účinnosti zařízení se dosáhne, pokud je konstruováno speciálně pro daný druh paliva. pyrolýza zužitkování tuhých odpadů 21 Malé zdroje tepla Spalování biomasy Lokální topidla dřevo, brikety Krby, krbová kamna -teplovzdušné; s teplovodní vložkou Kachlová kamna Výkon 7kW, spotřeba paliva 3,6 kg/h, doba hoření 3h

12 Biomasa Kotle pro centrální vytápění dřevo, brikety, štěpka, pelety. Výkon běžně do 100kW. Nutné řešit uskladnění a dopravu paliva Automatický kotel na pelety, výkon do 20kW Kotel na dřevo 45 kw, účinnost 85% Zplyňovací kotel na dřevo 99kW, účinnost 85-90% 23 Zpravidla na sypká paliva Kotle se zásobníkem Lze používat i kusová paliva Zásobník ocelový, textilní, plastový 24 12

13 Velké zdroje Biomasa Automatické kotle umožňují spalovat i méně kvalitní paliva jako jsou dřevní štěpka, sláma, kůra. Kotle vhodné zejména pro CZT. Náklady na výstavbu zdroje tepla jsou investičně závislé na dostupnosti vhodného zázemí. Provozní náklady pak na dostupnosti paliva a případně nutnosti jeho dopravy. 2,7 MW Dešná Jidřichův Hradec 25 Bioplyn Dříve bioplynové stanice spojeny především s ČOV Kompostování zemědělského a komunálního odpadu Oddělení frakcí-fermentor(ohřev na cca 40 C) bakterie rozkládají odpad-výroba bioplynu a hnojiva, odpad je nutné hygienizovat. Hnojivo je ekologicky nezávadné, kvalitní. Bioplyn dosahuje 70% výhřevnosti zemního plynu cca 21MJ/m

14 Zjednodušené schéma bioplynové stanice fermentor sběrná nádrž zásobník zpracované biomasy plynojem kogenerační jednotka 27 Bioplynová stanice Výtěžnost: 10kW=1ha plantáže bylin 1kW=cca 10 dobytčích jednotek Možno zpracovat všechnu biologickou hmotu mimo dřeva. Kogenerační jednotky bioplynových stanic-nutné zajistit vhodné složení bioplynu Při využití kogenerace nutno najít účelné využití tepla v letním období

15 Bioplynová stanice BCM metoda Zpracování bioplynu na zemní plyn v požadované kvalitě a CO 2. Vyráběn může být methan, soda, CO 2. Nejvhodnější metoda závisí na množství zpracovávaného bioplynu. 29 Skládkový plyn Směs plynů vznikajících při mikrobiologickém rozkladu organických složek odpadu. Skládky tuhých komunálních odpadů (TKO) Nepříjemný zápach v okolí, možná exploze skládkového plynu Skládkový plyn musí být odváděn a využíván ČR cca 312kg TKO/os.rok cca 35% organického původu

16 Kogenerace 31 Kogenerace Kombinovanávýrobaelektrickéenergieatepla(KVET,CHP) Jedná se zpravidla opřeměnu primární energie na energii elektrickoutak,abybylomožnévyužítodpadníteplo. Podmínkou využití kogenerace je celoroční zajištění odběru tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie, vytápění). Umístěnízdrojů: teplárnyvblízkostiměst elektrárnyvblízkostizdrojepaliva Trigenerace-výrobatepla,chladuael.energie 32 16

17 Kogenerace Technologiezdrojů KVET: Parní protitlaková turbína Parní odběrová turbína Plynová turbína s rekuperací tepla Paroplynové zařízení s dodávkou tepla Spalovací pístový motor Další technologie mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení 33 Kogenerace Spalovacípístovémotory Motor spalující levné palivo spřeměnou mechanické práce na elektrickou energii vgenerátoru asvyužitím vznikajícího tepla. Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkáchnemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní a administrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskové kotelny. Provedení od malých 2válcových kompaktních motorů až po oddělené 18 válcové umístěné z důvodu hluku v samostatnýchprostorách

18 Kogenerace Spalovacípístovémotory Odvod tepla běžně 2stupňový-předehřev olej/voda adohřev výfukovéplyny/voda Vyráběnéteplomáomezenouteplotu(100 C). Vhodné ve spojení sakumulátorem tepla-není nutné maření teplapřipotřebě elektřiny. Sníženívýkonunemávýraznývlivnasníženíúčinnosti Kogenerace Parní stroj využití k redukci páry pára přiváděna do pístů princip znám z historických strojů Organický Rankinův cyklus Pro nižší teploty je výhodnější využití organických látek místo vody Jednodušší turbína, látky známé z chlazení (obrácený R.cyklus)-freony, alkany, aromatické uhlovodíky 36 18

19 Kogenerace Mikrokogenerace současná výroba tepla a elektřiny při vysoké účinnosti Mikrokogenerace výroba elektřiny a tepla pro oblast malých výkonů (rodinné domy,..) při nízkých emisích Technologie Stirlingůvmotor Motor s vnitřním spalováním Palivový článek Mikrokogenerace Stirlingůvmotor Výhoda -prostorová úspornost, vysoká účinnost Nevýhoda -problém se servisem motoru (ekologie,..)

20 Mikrokogenerace Sestava motoru s vnitřním spalováním a zdroje tepla Kombinace prvků do sestavy plynový motor - rekuperace tepla -zásobník - plynový kotel 39 Palivový článek Mikrokogenerace Využití paliva a okysličovadla pro výrobu elektřiny a tepla Umístění článku uvnitř i vně objektu Účinnost až 85 % (elektrická 60%) Nutná odolnost vysokým teplotám

21 snížené možnosti využití tepla z kogenerační jednotky jsou využitelné v letních měsících Trigenerace 41 21