budoucí masová náhrada plynových kotlů a palivové články

Transkript

1 Spalovací mikroturbíny budoucí masová náhrada plynových kotlů a palivové články V Praze Ing. Jan Šurovský, bývalý předseda Asociace mikroturbín konzultant mikroturbín,

2 Poznámky z historie spalovacích turbín a mikroturbín Spalovací turbína pro energetiku BBC, Švýcarsko, před 2.světovou válkou Spalovací turbíny jako letecké motory závěr války Podhoubí, z něhož vznikly spalovací mikroturbíny: Turbodmychadlo motoru Pomocná energetická jednotka letadel - APU (Honeywell) (v ČR ČZ a. s., Strakonice) Přistání na řece Hudson Trh ovládl Capstone Turbine Corporation, USA, L.A. Dodal celkem cca 8000 ks turbín.

3 Turbodmychadlo M o t o r Stlačený vzduch Expandující spaliny Proud vzduchu Oběžné kolo kompresoru Proud spalin Oběžné kolo expandéru - turbíny Energie expandujících spalin točí kompresorem vzduchu

4 Základní toky médií Palivo Hoření Spalovací komora Stlačený vzduch Proud vzduchu Expandující spaliny Rotor generátoru Oběžné kolo kompresoru Oběžné kolo turbíny Proud spalin Zhruba podobné pomocné energetické jednotce letadla

5 96 tis. ot. / min Capstone 30 kw el Generátor Kompresor Turbína Jediný pohyblivý díl mikroturbíny rotor soustrojí

6 Rekuperátor = výměník spaliny / vzduch Přívod plynu Sání vzduchu Generátor 500 o C Rekuperátor 250 o C Výfuk spalin Stlačený vzduch Vzduchový kompresor Turbína Spalovací komora

7 Capstone 30 Rekuperátor zdvojnásobí účinnost Spaliny ohřívají spalovací vzduch Plynový kompresor s plynovými ložisky

8 Výfuk Capstone C65 Filtr spalovacího vzduchu Sání spalovacího vzduchu Hořáky s přívody paliva Turbína tepelně izolovaná Sání chladicího vzduchu Výkonová elektronika

9 Vzduchový filtr Jediný náhradní díl na několik let!! V ČR je dnes ke 30 mikroturbín Capstone

10 Capstone 200 kw C800 - kontejner o délce 9 m. 4 x C200, samostatná oddělení, žaluziové dveře. Řídící systém řadí jednotky optimalizuje údržbu. Pátou turbínu lze doplnit dodatečně. Capstone C1000, 1 MW=5*200 kw

11 Rozvaděč Turbína 30 kw Capstone - bioplyn První prezentace mikroturbíny na bioplyn v ČR 2005 (Instalace Praha) Kompresor plynu Mikroturbíny Capstone 65 kw na skládkový bioplyn Havířov GGC Energy s.r.o., distributor Capstone v ČR

12 Použití spalovacích mikroturbín Kogenerační jednotky dodávají elektřinu a teplo Trigenerační jednotky dodávají elektřinu, teplo a chlad Turbíny C65 mohou být dodávány ve čtveřicích a s absorpčním chladičem 120 RT. Celá sestava může být propojena na straně plynu, spalin i elektro, může být najednou převezena na traileru a jako celek osazena jeřábem. Prvotní vyzkoušení je možné za čtyři hodiny. Nezávislý komplexní zdroj elektřiny, tepla a chladu Jedná se o trigenerační jednotku s několika turbínami a UPS. Komplexní záskok při výpadku elektrické sítě. Schopen startu ze tmy při úplném blackoutu.

13 Ansaldo Turbec, Itálie Jednotka 105 kw el vypadá bytelně a jednoduše, v ČR dosud nepracuje, válcová spalovací komora mimo rotor turbíny, vhodná pro pokusy s méněběžnými palivy. EU podpořila před lety aplikace turbín Turbec: Klitte, Švédsko, spaliny do skleníků - zlepšení růstu rostlin. Vnitřní prostředí měřeno - hygiena práce bez problémů. Spaliny 12 ppm NO a 2 ppm NO 2, koncentrace NO ve skleníku 20 ppb. Hodnota CO uvnitř 1 ppm, CO 2 ve spalinách 1,5%, uvnitř cca 900 ppm. Statoil, Norsko, turbína na metanol, komerční palivo, netřeba specializovaná obsluha.

14 FlexEnergy Firma má letité zkušenosti s kombinací mikroturbín a zplynovačů. Zařízení je schopno: - pracovat bez plynového kompresoru, - spalovat přímo velmi chudý bioplyn. Turbína MT 250 (dříve Ingersoll-Rand) : -250 kw, palivo mj. bioplyn, - vestavěný plynový kompresor, rekuperátor a výměník spaliny - voda - Olejová ložiska i chlazení - Vodní chlazení (čerpadlo) - Mechanická převodovka - Synchronní generátor

15 MTT (Holandsko) mikroturbíny pro rodinné domy Výkon přes 3,5 kw el a 17 kw t až 250 tis. ot/min. Při zkouškách dosaženo celkově asi přes 120 tis. hodin, jedna turbína má asi přes 14 tis. provozních hodin. Účastníci loňského semináře v Kuřimi. Univerzity, vývoj Ve světě vč. západní Evropy jsou mikroturbíny nejprve zkoušeny na univerzitách. ČR je velmi pozadu. Turbíny Capstone jsou na VŠB, VUT a ČVUT (UCEEB). Dílčí univerzitní výzkumy v ČR jsou neefektivní, nekoordinované, příliš individuální. Inženýrská firma Sobriety s.r.o. z Kuřimi vyvíjí vysokootáčková vzduchová ložiska pro stovky tisíc otáček za minutu. Malý radiální vzduchový kompresorek bude vhodný mj. pro konstrukci kogenerační jednotky s tlakovým palivovým článkem.

16 Pro kogenerační jednotky s mikroturbínami je ideální aplikací: kombinace hotelu a sportovišť, např. hotel STEP. Pro kogenerací je důležité maximální využití tepla v letním období. To zvýší roční využití turbín a tedy jejich efektivnost. Vodu v bazénech je nutno mít ráno ohřátou i v létě se v noci ohřívá. Před 4 lety jsem studií prokázal, že by zde turbíny 65 kw el pracovaly až k 7000 hod/rok. Majitelům to následně potvrdila i studie dvorních topenářských projektantů. Bohužel následné zdražení topenářských či jiných prací akci (mimo turbíny) zrušilo. Na rozdíl od motorů lze mikroturbíny ekologicky únosně provozovat i ve městech.

17 Autor se zajímá o spolupráci palivových článků s mikroturbínami od r Navštívil firmu Fuel Cell Energy, USA, která zkoušela palivové články s turbínou Capstone i Siemens-Westinghouse s turbínou Ingersoll-Rand 75 kw. Kniha Mikroturbína r Nová kniha Spalovací turbíny od mikroturbíny k elektrárnám r V poslední době se objevují náznaky určitého pokroku. Palivové články mění chemickou energii paliva na energii elektrickou. Dosahují vyšší účinnosti přeměny energie paliv na el. energii než systémy, ve kterých jsou paliva spalována a tepelná energie měněna na energii elektrickou. Palivové články mají proti spalovacímu procesu výrazně nižší emise. Pro energetické použití jsou vhodné vysokoteplotní palivové články. Vyšší teploty i účinnosti mají články s pevným elektrolytem (SOFC - Solid Oxide Fuel Cells). Nižší teploty mají články s uhličitanovou taveninou (MCFC), stačí levnější materiály, jsou ekonomičtější a aplikací přibývá rychleji. Pro automobilní techniku jsou používány nízkoteplotní články.

18 VYSOKOTEPLOTNÍ PALIVOVÉ ČLÁNKY Jiřina Čermáková-Poláková, Lukáš Polák, Aleš Doucek, VŠCHT Praha a ÚJV Řež, a. s. Z článku je převzat následující řez článkem i další. Zpožděný tuzemský vývoj Nadějí pro je kapitálový vstup ČEZu a.s. (Inven Capital s.r.o.), do drážďanské firmy Sunfire. Na Semináři Asociace mikroturbín 2016 dvou z autorů podali podrobnější vysvětlení. Komerční produkty nedosahují požadavků zákazníků. Sunfire uvádí: životnost provozních hodin max. 30 termálních cyklů V laboratořích daleko vyšší počty provozních hodin než u komerčních produktů Účinnost a váha SOFC nelimitují Vysoká provozní teplota = dlouhá doba náběhu v řádu několika hodin Vyvinuty SOFC jednotky na nižší teploty ( C) V projektu REAL SOFC bylo dosaženo 42 tis. provozních hodin

19 Výrobci komerčně dostupných stacionárních jednotek SOFC: Bloom Energy ( kw el ), Ceramic Fuel Cells (1-2 kw), Acumentrics (5-10 kw), Hexis (1 kw), Vaillant (1 kw) a Sunfire (typ ISM - integrated stack module) (1,3-1,7-5 kw); dodává základ sestavy (stack) 1 kw firmě Vaillant a chystá sériovou výrobu Několik údajů o palivových článcích Sunfire ISM 3,8 kw Maximální provozní teplota: Tmax < 860 C Rychlá integrace do systémů a testovacích zařízení Snadný provoz El. účinnost 30-60% Při masové výrobě cena zhruba Kč / kw Reforming samostatný box, vyvinut do 10 kw el (rozkládá zemní plyn aj. na vodík)

20 Konstrukci článku tvoří dvě porézní destičkové elektrody, mezi nimiž je elektrolyt na bázi pevných oxidů kovů, např. oxidu zirkoničitého (ZrO2). Palivové články SOFC pracují za teplot C. Různé typy paliv, díky vnitřnímu reformingu lze přímo na anodu přivádět metan a oxid uhelnatý, ostatní musí být upraveny. Vznik elektrického proudu Elektrony jsou záporně nabité částice, které tvoří obal atomu. Tok záporně nabitých částic (elektronů) vytváří elektrické napětí mezi dvěma elektrodami (anodou a katodou). Připojíme-li tedy k oběma elektrodám malý elektrický spotřebič (představme si malou žárovičku), začne odebírat z článku elektrickou energii.

21 MCFC Molten Carbonate Fuel Cell - okolo 650 C. Přímá konverze H2, CO i vnitřní reforming zemního plynu či jiných paliv. Vnitřní reforming - přeměna paliva uvnitř článku na palivo s vysokým obsahem vodíku. FuelCellEnergy (USA) je světovým lídrem ve vývoji a výrobě palivových článků o výkonu 0,3 2,4 MW. 100 jednotek po celém světě. HotModul firmy CFC Solutions (250 kw el /170 kw. Elektrická účinnost může přesáhnout 50%. Aplikace palivových článků Palivové články mají extrémně malé emise. Jsou velmi spolehlivé a tiché. Koncepce je vhodná pro malou energetiku. Špatné ovzduší měst vyvozuje tlak na rozvoj malé ekologické energetiky. Výhody palivových článků (naprostá bezhlučnost) jsou zajímavé pro armády. Již teď existují aplikace, v nichž jsou zejména MCFC články ekonomicky výhodné. Jedná se zejména o aplikace: - využívající odpadní plyn z průmyslových či zemědělských procesů a - aplikace v kombinaci s kogenerační jednotkou.

22 Výstup střídavý proud stř ss Elektronika Tlaková nádoba Úprava zemního plynu Reforming Sestava palivových článků Výfu k ss stř Ohřátý vzduch Ohřátý plyn Plyn Výměník Generátor Vzduch Mikroturbína Filtr Stlačený vzduch Rekuperátor Topná voda Vratná voda Palivový článek = spalovací komora mikroturbíny

23 1. V tlakové nádobě se mění ohřátý zemní plyn na vodík a oxid uhelnatý 2. Palivový článek: a) vyrobí elektřinu a navíc b) přemění vodík a oxid uhelnatý na horké spaliny (nejde o spalování) 3. Mikroturbína přemění horké spaliny: a) na další elektřinu a teplou vodu nebo b) mechanickou práci (pohon kompresoru, čerpadla) a teplo

24 Mikrotubíny v hybridních autobusech Hybridní autobus Laibach, Slovinsko Trolza ECObus-5250, Ekologická doprava v Soči Generátor (startér) Výfuk Palivová tryska Vzduch Výfuk Invertor Blok Capstone C30 HEV Mikroturbína Výkonová elektronika

25 Čím může přispět mikroturbína fotovoltaice? Fotovoltaika nemůže být jediným zdrojem energií pro nejistotu dodávky. Baterie mají omezenou kapacitu. Mikroturbíny doplní systém jako - trvalý poměrně ekologický zdroj elektřiny a tepla, - špičkový zdroj schopný rychlého najetí.

26 Čím může přispět mikroturbína palivovému článku? Kompresor mikroturbíny natlakuje palivový článek, který může být mnohem menší. Výstupní médium z palivového článku (zejména vodní pára) roztáčí turbínu, která pohání kompresor a generátor mikroturbíny. Tlakový palivový článek najede na plný výkon rychleji než atmosférický. V malé teplárně nemohou být palivové články jediným náhradním zdrojem elektřiny pro malou rychlost najetí. Mikroturbíny doplní palivové články jako špičkový zdroj schopný rychlého najetí. Čím může přispět palivový článek mikroturbíně? Tepelná, rotační výroba elektřiny postupem času zanikne a i v decentrálním provedení. Palivový článek umožní mikroturbíně přežít jako součásti a doplňku palivových článků.

27 Asociace mikroturbín Založena 2011 Sdružuje provozovatele a dodavatele mikroturbín a příslušenství, univerzity, konzultanty, inženýrské firmy atd. Prezentuje perspektivní, ekologickou technologii spalovacích mikroturbín Každoročně pořádá Semináře s výměnou zkušeností Solidní zájemci o členství jsou vítáni

28 Publikace Spalovací turbíny od mikroturbín k elektrárnám Ing. Jan Šurovský 2013 nabízí tyto informace a mnoho dalších schémat, aplikací, provozních a instalačních zkušeností atd. Děkuji za pozornost! Jan Šurovský, jan.sur@seznam.cz, V Praze