Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie KOGENERACE

Transkript

1 Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie KOGENERACE

2 Pojem KOGENERACE jedná se o současnou výrobu více druhů energie obecně bývá uváděno, že jde o kombinovanou výrobu elektřiny a tepla systém zajišťující výrobu a dopravu elektrické a tepelné energie v požadovaných parametrech spotřeby se nazývá kogenerační systém jako nový trend ve využití kogeneračních jednotek (KJ) se v současné době objevuje pojem TRIGENERACE kombinovaná výroba elektřiny, tepla a chladu (chlad je využíván pro účely klimatizace, převážně komerčních budov)

3 Kogenerace - princip Výhody kogenerační výroby energie jsou patrné z obrázku: KJ ušetu etří 40% primárn rního paliva na stejné množstv ství vyrobené elektrické energie a tepla oproti oddělen lené výrobě úspora paliv je také doprovázena snížen ením emisních škodlivin

4 Kogenerace výhody kombinované výroby energií společnou produkcí tepelné a elektrické energie v KS zvyšujeme účinnost využit ití primárn rního paliva možnost umístit výrobu do místa m spotřeby eby snižuje ztráty ty vzniklé přenosem snadná napojitelnost na existující technologie omezení využívání primárn rních energetických zdrojů a zvýšen ení podílu obnovitelných zdrojů omezení znečištění životního prostřed edí

5 Kogenerační systémy kogenerační systémy (KS) zahrnují kogenerační jednotku a systém dopravy energie základní dělení je podle pořadí využívání produkovaných energií: horní kogenerační systémy dolní kogenerační systémy

6 Kogenerační systémy Horní kogenerační systémy nejdříve dochází k získání energie v energetickém systému (1) teplo v energet. sys. je využíváno pro technologické procesy a následně je odvedeno do energetického zařízení tepelný motor (2) získaná mechanická energie se pak transformuje na elektrickou v el. generátorech (3)

7 Kogenerační systémy Dolní kogenerační systémy nejdříve dochází k výrobě elektrické energie užitečná tepelná energie se získává z odváděného tepla z tepelného oběhu dolní kogenerační systémy se využívají více než horní (u HS je nutná poměrně velká vstupní teplota do tepelného oběhu)

8 Kogenerační technologie v KJ dolních KS se provádí plynulá přeměna primární energie obsažené v palivu Q pal na elektrickou energii E tepelnou energii, kterou nelze přeměnit na elektrickou, lze využít na dodávku tepla Q uv kogenerační technologie lze z fyzikálního hlediska dělit do dvou skupin: s nepřímým způsobem přeměny energie s přímým způsobem přeměny energie

9 Kogenerační technologie Nepřímý způsob transformace energie přeměna energií je prováděna prostřednictvím více energetických transformací nejvíce využívaný způsob zahrnuje tři transformace uvolnění tepelné energie obsažené v palivu nebo regenerace tepelné energie z primárního zdroje je získávána technická práce, která je využívána pro mechanický pohon spotřebičů mechanická energie se transformuje na elektrickou

10 Kogenerační technologie Přímý způsob transformace energie provádí se přeměna energie paliva přímo na elektrickou energii elektrická energie může být dále upravována (parametry napětí a proudu)

11 Zařízení kogenerační jednotky Kogenerační jednotka se může skládat ze: zařízení pro úpravu primárního zdroje energie (paliva) primární jednotky (primárního motoru) zařízení pro výrobu a úpravu elektrické energie zařízení pro rekuperaci tepelné energie

12 Zařízení kogenerační jednotky Zařízení pro úpravu primárního zdroje upravuje parametry vstupní formy energie na hodnoty, se kterými pracuje primární jednotka úprava paliva může být založena na požadavku: zušlechtění paliva pro zvýšení energie v jednotce paliva úpravy prvkového složení paliva mění se hodnoty jednotlivých složek paliva úpravy podmínek pro použití zabezpečují se vhodné podmínky pro dopravu paliva

13 Zařízení kogenerační jednotky Primární jednotka v PJ dochází k přeměně energie obsažené v palivu nebo v pracovní látce oběhu na ušlechtilejší formu energie primární jednotkou může být: tepelný motor palivový článek

14 Zařízení kogenerační jednotky Zařízení pro výrobu a úpravu elektrické energie elektrický generátor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou elektrický kondicionér (měnič) používá se v případě nutnosti změny parametrů elektrického proudu

15 Zařízení kogenerační jednotky Zařízení pro rekuperaci tepelné energie transformuje odváděný tepelný výkon na požadované parametry a formu nejběžnějšími teplonosnými médii vystupujícími z rekuperačních výměníků jsou: nízkoteplotní voda o teplotě do 100 C vysokoteplotní voda o teplotě C vodní pára teplý vzduch

16 Nepřímý způsob transformace energetických zdrojů v KJ u nepřímých KJ se provádí uvolnění nebo regenerace tepelné energie z paliva v tepelném zdroji zisk technické práce se dá realizovat neustále se opakujícím procesem pravotočivým tepelným oběhem pracovní látka je buď dodávána neustále nová, nebo obíhá opakovaně tepelné oběhy se rozdělují na: otevřené pracují s pracovní látkou v TO v plynném skupenství uzavřené pracují s pracovní látkou, ve které dochází ke změně skupenství (typickou látkou je voda a její plynná fáze vodní pára)

17 Nepřímý způsob transformace energetických zdrojů v KJ nepřímý způsob transformace primární energie

18 Přímý způsob transformace energetických zdrojů v KJ na přímé přeměně elektrické energie je založena technologie palivových článků provádí se obrácená elektrolýza vody

19 Rozdělení kogeneračních technologií rozdělení přímých a nepřímých kogeneračních technologií lze provádět z mnoha hledisek základním prvkem určujícím kogenerační technologii je primární jednotka dále je možno dělit kogenerační technologie podle: použitého primárního paliva maximálního dosažitelného výkonu účelu využití samotné technologie a efektivnosti nasazení KJ

20 Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle primárního paliva KJ pracující s obnovitelnými zdroji nefosilní zdroje energie (sluneční energie, energie okolního prostředí, geotermální energie a biomasa) KJ pracující s neobnovitelnými zdroji mezi neobnovitelné zdroje energie patří fosilní paliva

21 Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle dosažitelného výkonu výkonová hladina definuje kogenerační výrobu jako: mikro-kogenerace kogenerace do výkonu 50 kw E mini-kogenerace kogenerace do výkonu 500 kw E kogenerace malého výkonu do 1 MW E kogenerace středního výkonu do 50 MW E kogenerace velkého výkonu nad 50 MW E

22 Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle účelu využití na základě způsobu aplikace KJ do systému zásobování energií lze technologie použité ve zdrojích dělit takto: základní špičkové záložní rezervní specifické

23 Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle účelu využití podle druhu spotřeby je možno dělit kogenerační výrobu takto: centralizované zásobování teplem průmyslová kogenerace kogenerace pro komerční sféru kogenerace pro komunální sféru kogenerace pro bytovou sféru

24 Rozdělení kogeneračních technologií Dělení podle efektivnosti nasazení kogenerace se nasazuje v případech její větší efektivnosti oproti oddělené výrobě energií kogenerační technologie srovnatelné s oddělenou výrobou: kombinovaný cyklus s rekuperací tepla parní protitlaká turbína kondenzační turbína s odběrem páry plynová turbína s rekuperací tepla motor s vnitřním spalováním mikroturbíny motory Stirling palivové články parní turbíny organické Rankinovy cykly

25 Velká kogenerační zařízení využívají se v městských teplárnách a podnikových zařízeních výkonově jsou v oblasti od stovek kw až do několika MW kogenerační jednotka se spalovací turbínou parní kombinovaná výroba tepla a elektřiny paroplynová výroba tepla a elektřiny

26 Malá kogenerační zařízení výkon od desítek do stovek kw základní částí je obvykle pístový spalovací motor, který pohání generátor odpadní teplo z motoru je odváděno pomocí výměníků na dvou teplotních úrovních odvod tepla z bloku motoru a oleje cca C odvod tepla z výfukových spalin cca C

27 Základní parametry jednotlivých typů kombinované výroby elektřiny a tepla Typ teplárny Podíl výroby elektřiny a tepla QEL/QTEP Účinnost elektrická Účinnost tepelná Účinnost celková El. výkon teplárny ( - ) ( % ) ( % ) ( % ) ( MW ) S parním strojem 0,16-0, ,1-2 S parními turbínami 0,24-0, , Se spalovacími motory 0, ,1-10 Se spalovacími turbínami 0,5-0, Paro-plynové 0,5-1, a více

28 Hodnocení KVET hodnocení je prováděno podle základnz kladních ukazatelů, které charakterizují základní vlastnosti kogenerace hlavními ukazateli jsou: účinnost innost transformace primárn rního zdroje náklady na výrobu konečných ných forem energie vliv na životní prostřed edí u kogenerace je potřeba vyhodnocovat také vhodnost instalace, zejména oproti oddělen lené výrobě elektrické a tepelné energie

29 Parametry kogeneračních jednotek parametry KJ popisují následující veličiny: iny: fyzikáln lní konstrukční provozní ekonomické enviromentáln lní...a jejich vzájemn jemné závislosti hodnoty jednotlivých parametrů dělíme na: statické dynamické (provozní charakteristiky)

30 Parametry kogeneračních jednotek

31 Energetické parametry KJ udávaj vají energetické parametry transformačního řetězce elektrický výkon tepelný výkon poměr r elektrického a tepelného výkonu kvalita tepelné energie

32 Energetické parametry KJ elektrický výkon P E (t) okamžit itá hodnota, kterou je KJ schopna dodávat pásmo mezi minimáln lním m a maximáln lním m dodávaným výkonem se nazývá regulační pásmo jmenovitý výkon odpovídá provozu s maximáln lní účinností

33 Energetické parametry KJ tepelný výkon P T (t) okamžit itá hodnota, kterou lze z KJ využít t pro dodávku tepla množstv ství odebíran raného tepelného výkonu je závislz vislé na množstv ství vyráběné elektrické energie v případp padě požadavku pouze na výrobu el. energie, je nutné zajistit odvod nevyužit itého tepla

34 modul teplárenské výroby elektrické energie Energetické parametry KJ poměr el. a tep. výkonu σ charakterizuje možnosti kombinované dodávky KJ kde P E,% - procentní zastoupení el. výkonu na celkovém m výkonu KJ - procentní zastoupení tep. výkonu na celkovém m výkonu KJ - procentní zastoupení vyrobené el. energie na celkové výrobě KJ UV,% - procentní zastoupení využit ité tep. energie na celkové výrobě KJ P T,% E % Q UV,% σ = E Q UV = P P E T = P P E,% T,% = E Q % UV,% [ ],

35 Energetické parametry KJ poměr el. a tep. výkonu σ modul teplárenské výroby elektrické energie

36 modul teplárenské výroby elektrické energie Energetické parametry KJ poměr el. a tep. výkonu σ pomocí poměru σ můžeme vyjádřit procentní podíl l el. nebo tep. výkonu na výrobě KJ při i změně poměru výroby mezi el. a tep. energií musí vždy platit: E % + QUV,% = PE,% + PT,% = dosazením m za procentní tepelný výkon z definice teplárensk renského modulu dostaneme vztah pro procentní proměnný el. výkon P E,% a pro procentní proměnný tep. výkon P T,% σ = 1 + σ 1 = 1 + σ [ ] [ ] 100%

37 Energetické parametry KJ kvalita tepelné energie pro možnosti využit ití tepelné energie produkované KJ je rozhodujícím m kritériem riem teplota teplo lze obecně charakterizovat jako vysokopotenciáln lní je vhodné pro průmyslov myslové využit ití (výroba páry, p vysoušec ecí procesy apod.) nízkopotenciální akumuluje se převp evážně do vody pro teplárensk renské účely

38 Účinnost transformace primárního paliva s ohledem na konečné energetické formy jsou definovány ny účinnosti, které jsou zárovez roveň parametry KJ elektrická účinnostinnost tepelná účinnostinnost celková účinnost

39 Účinnost transformace primárního paliva elektrická účinnost η E na základz kladě bilanční hranice systému KJ je dána d vztahem η KVET E = E Q pal = m E Q pal i = M PE Q pal i [ ]

40 Účinnost transformace primárního paliva tepelná účinnost η T na základz kladě bilanční hranice systému KJ je dána d vztahem η KVET T Q = Q UV pal = Q m pal UV Q i = M PT Q pal i [ ]

41 Účinnost transformace primárního paliva celková účinnost η C η C je účinnost přemp eměny energie přivedenp ivedené v palivu na užiteu itečně využitou energii je dána d součtem jednotlivých účinností KVET KVET KVET E + QUV E + QUV PE + PT ηc = ηe + ηt = = = Q m Q M Q pal z definice poměru el. a tep. energie můžm ůžeme určit závislost η C na σ pal i pal i [ ] η KVET C = η KVET E 1+ 1 σ [ ]

42 Účinnost transformace primárního paliva celková účinnost η C poměr r elektrické a tepelné energie lze také vyjádřit pomocí účinností z předep edešlého vztahu σ = η η KVET E KVET T = η η KVET E KVET C η KVET E [ ] pro celkovou účinnost oddělen lené výroby platí vztah η ODV C = E + QUV PE P + ODV η η E T ODV T [ ]

43 Ekonomické parametry ekonomické parametry jsou dány d náklady, n které se musí vynaložit: před ed uvedením m do provozu náklady na pořízen zení cena jednotky náklady na připojenp ipojení při i provozu

44 Ekonomické parametry cena jednotky peněž ěžní vyjádřen ení nákladů na zakoupení KJ je úměrná použit ité technologii a jmenovitému mu elektrickému výkonu pro vzájemn jemné porovnání se ceny vyjadřuj ují v určit ité měnové jednotce vztažen ené na výkonové nebo konstrukční parametry

45 Ekonomické parametry náklady na připojení jsou závislz vislé na: umíst stění jednotky vyvedení a zapojení výkonů do KS odvodu odpadního tepla způsobu sobu dodávky paliva výška nákladn kladů se měním podle konkrétn tních podmínek posuzované varianty nasazení KJ

46 Ekonomické parametry provozní náklady jejich hlavní složkou jsou náklady n na spotřebovan ebované palivo a servisní náklady obvykle se vztahují na jednotku vyrobené energie měrné náklady vyjádřen ení celkových měrných m nákladn kladů je spojeno s celkovou dobou provozu KJ, a ta závisz visí na: době životnosti pohotovosti spolehlivosti

47 Ekonomické parametry provozní náklady doba životnosti T Ž určuje uje minimáln lní délku ideáln lní možné provozuschopnosti je základnz kladním m výpočetn etním m ukazatelem při p i ekonomickém hodnocení efektivnosti nasazení a provozu KJ pohotovost ph určuje uje provozuschopnost KJ během b určit itého období T (1 rok) doba pohotovosti T ph je menší než T (odstávky, pravidelná údržba...) Tph T ( TOD, p ln + TOD, NPL) ph = = T T [ ]

48 Ekonomické parametry provozní náklady spolehlivost sp pravděpodobnost podobnost bezporuchového provozu za uvažovan ované období T sp = T T T ph OD, p ln = T ( T OD, p ln T T + T OD, p ln OD, npl ) [ ] provozuschopnost a spolehlivost jsou závislz vislé na jednotkovém m výkonu a druhu použit ité technologie

49 Provozní parametry během provozu KJ ke změně hodnot určitých parametrů ke změně dochází v závislosti z na změně zatížen ení a změně pracovních ch podmínek provozní charakteristiky jsou ovlivněny ny změnou: zatížen ení KJ vnitřních parametrů KJ okolních podmínek

50 Provozní parametry změna zatížení KJ změna požadovan adované hodnoty elektrického nebo tepelného výkonu jednotka nepracuje vždy v na své nomináln lní (maximáln lní) ) hodnotě výkonu průběh h změny účinnosti v závislosti z na odebíran raném výkonu je základnz kladní provozní charakteristikou KJ má velký vliv na hodnotící ukazatele provozu (úspora paliva, náklady, n emise)

51 Provozní parametry změna vnitřních parametrů KJ představuje změnu veličin, in, při p i kterých KJ pracuje (teploty, tlaky, otáčky, napětí...) změna těchto t parametrů má vliv na hodnotící parametry (účinnost,( kvalita užiteu itečně využiteln itelné energie)

52 Provozní parametry změna okolních podmínek okolní podmínky se měním v důsledku d meteorologické situace nebo s nadmořskou výškou výrobci udávaj vají parametry při p i ISO podmínk nkách venkovní teplota 15 C relativní vlhkost vzduchu 60% atmosférick rická tlak 101 kpa

53 Vyhodnocení vhodnosti nasazení KJ provádí se na základz kladě znalosti parametrů KJ a integračních vstupních a výstupních hodnot energetických toků mezi parametry, podle kterých se vyhodnocení provádí,, patří: úspora paliva snížen ení ztrát t při p i dodávce el. energie snížen ení ztrát t při p i dodávce tepla ekonomická výhodnost kogenerace omezení negativního vlivu na ŽP zvýšen ení spolehlivosti energetické dodávky