1/82 Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace

Transkript

1 1/82 Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace spalovací pístové motory plynové mikroturbíny ORC cyklus palivové články Stirlingův motor

2 Teplárenské zdroje 2/82 velké centralizované zdroje energie uhlí, jádro provoz v základním zatížení ekonomika velkých zařízení

3 Teplárenské zdroje 3/82 decentralizované eliminace přenosových ztrát pružná záloha, snadná a rychlá regulace nezávislost spotřebitelů na dodávce energie z veřejné sítě za předpokladu využití tepla vyšší využití paliv, teplárenská výroba malé výkony, technologický vývoj, v minulosti špatná ekonomika malá kogenerace do 1,5 MW e mikrokogenerace do 50 kw e

4 Malé teplárenské zdroje 4/82

5 Kogenerace v decentrálních zdrojích 5/82 řízení podle dodávky tepla regulace jednotky podle potřeby tepla objektu (podle venkovní teploty, profilu užívání) produkce elektrické energie jako vedlejší produkt řízení podle požadavku dispečinku el. soustavy krytí špičkového zatížení dané lokality v kombinaci s akumulací tepla

6 Spalovací pístové motory 6/82 pístové motory vycházejí z automobilových motorů: vznětové (kapalné palivo) účinnost až 45 % (vysokotlaké) plynové účinnost okolo 40 %, spalování chudé směsi, přebytek spalovacího vzduchu 2, nízké emise mechanická práce využita pro pohon generátoru výroba el. energie odpadní teplo využito pro teplárenské účely požadavek na životnost a provozní spolehlivost nízkootáčkové stroje, masivní, stacionární pro spalovací motory se vžil název kogenerační jednotky

7 Spalovací pístové motory 7/82 palivo zemní plyn bioplyn (ČOV, zemědělská výroba) skládkový plyn kapalná paliva (horské oblasti) požadavek na ušlechtilé palivo: čištění bioplynu (od síry) dřevoplynu (od pevných částic)

8 Spalovací pístové motory 8/82

9 Spalovací pístové motory 9/82 využití odpadního tepla chlazení mazacího oleje: výměník olej/voda chlazení bloku motoru: výměník voda/voda chlazení výfukových plynů (až 450 C): výměník spaliny/voda: 50 % výkonu

10 Spalovací pístové motory 10/82

11 Spalovací pístové motory 11/82 malé jednotky 2 až 4 válcové provedení, kontejnerové jednotky asynchronní generátory, paralelní provoz se sítí dvojstupňový provoz (on/off), automatický start a zastavení velké jednotky 12 až 18 válců, samostatně odhlučněné prostory synchronní generátory, 4 pólové (1500 ot/min), 6 pólové (1000 ot/min) paralelně nebo nezávisle na síti řízení provozu dle zatížení

12 Spalovací pístové motory 12/82 soustrojí kogenerační jednotky generátor, el. rozvaděč akumulátorové baterie startování motoru výfuk spalin tlumič výfuku, snížení rychlosti proudění spalin

13 Spalovací motory parametry 13/82 výkon výkony od x0 kw do x MW

14 Spalovací pístové motory 14/82 výkon elektrický výkon svázaný s tepelným výkonem chladicí věže, nouzové chladiče (výměníky) pro přebytečný tepelný výkon větší rozsah než u PT, účinnost dramaticky neklesá

15 Spalovací pístové motory 15/82 technické parametry pro zdroje v menších soustavách CZT provozní teploty do 150 C (teplovody, výjimečně parovody) vytápění, ohřev vody (90 / 70 C) možnost častých, opakovaných a rychlých startů a odstávek větší rozsah regulace výkonu větší než u plynové turbíny bez významného snížení účinnosti využití pro vykrývání denních diagramů zatížení místních odběrů el. energie x vykrývání odběrů tepla

16 Spalovací motory dimenzování 16/82 roční diagram dodávky tepla kontinuální dodávka tepla dimenzování na odběr v letním období kogenerační jednotka jako výkonově doplňkový zdroj

17 Spalovací motory dimenzování 17/82 špičková výroba elektrické energie (16, 12, 8 hodin) řízení dodávek do el. sítě dimenzování na větší odběr, využití akumulace

18 Spalovací motory dimenzování 18/82 denní diagram dodávky tepla využití akumulace v době chodu motorů se nabíjí přebytkem tepelného výkonu v době odstávky se naakumulované teplo využívá ke krytí potřeb odběrů

19 Spalovací motory schéma 19/82

20 Spalovací pístové motory 20/82 provozní ukazatele

21 Spalovací pístové motory 21/82 výhody možnost rychlého najetí a odstávky vysoké účinnosti i u výkonově menších jednotek modulové uspořádání jednoduchá instalace malé prostorové nároky

22 Spalovací pístové motory 22/82 nevýhody spalování pouze ušlechtilých paliv vysoká hlučnost a vibrace pružné uložení na základ kontejnerové odhlučněné provedení, zvuková izolace strojovny tlumiče hluku ve výfukovém potrubí, v přívodu větracího vzduchu do strojovny častý servis opotřebení mechanických součástí spotřeba mazacích olejů, vzduchové filtry, svíčky - výměna

23 Spalovací pístové motory 23/82 využití okrskové, nebo areálové plynové kotelny energocentra obchodních, nemocničních, plaveckých, sportovních a administrativních komplexů, průmyslové podniky vysoká a rovnoměrná potřeba tepla, vysoká potřeba elektrické energie, potřeba na chlazení školská zařízení x letní provoz čistírny odpadních vod, skládky komunálních odpadů, bioplynové stanice kalový plyn, bioplyn potřeba tepla a elektřiny pro provoz ČOV a bioplynové stanice

24 Plynové mikroturbíny 24/82 plynová turbína vysoko-otáčkové soustrojí, otáček/min jednostupňový radiální vzduchový kompresor - jednostupňová radiální turbína - generátor elektrického proudu na společné hřídeli výkony x0 kw až x00 kw, teplárenský modul 0,5 až 0,7 tepelný výměník ve spalinách - odpadní teplo využito pro teplárenské účely (200 až 300 C), pro předehřev spalovacího vzduchu (rekuperace) palivo zemní plyn, bioplyn tlak min. 0,4 až 0,8 MPa, > STL (0,4 MPa): nestačí plynový kompresor

25 Plynové mikroturbíny 25/82 rekuperace

26 Plynové mikroturbíny 26/82

27 Plynové mikroturbíny 27/82

28 Plynové mikroturbíny 28/82 oproti klasickým plynovým turbínám vysokofrekvenční generátor, vysoké otáčky, není nutná převodovka vysoké otáčky, snadnější odhlučnění vzduchová ložiska, bez mazání, bezolejové hospodářství minimální údržba servis vzduchový filtr, zapalování, trysky generální oprava PH výrazně nižší provozní náklady než u spalovacích motorů

29 Plynové mikroturbíny 29/82

30 Plynové mikroturbíny 30/82

31 Plynové mikroturbíny 31/82 výkonové parametry výkony od x0 kw do x00 kw účinnost 20 až 30 % teplárenský modul zpravidla 0,5 až 0,7

32 Plynové mikroturbíny 32/82 výhody možnost rychlého najetí a odstávky (desítky sekund) kompaktní provedení nízká hmotnost vysoká provozní spolehlivost jediná točící se součást, vzduchová ložiska, bez potřeby mazacího oleje provoz při částečném výkonu - dobrá regulace do 50% zatížení nízké emise, 10 x nižší emise NO x než u spalovacích motorů nízké provozní náklady

33 Plynové mikroturbíny 33/82 nevýhody nízká účinnost výroby elektrické energie 20 až 30 % přídavná práce na kompresor nízká celková účinnost rekuperace tepla pro ohřev vzduchu při výkonech pod 50 % rapidně klesá účinnost cena

34 Organický Rankinův cyklus (ORC) 34/82 parní cyklus modifikace Rankin-Clausiova oběhu liší se pracovní látkou pro turbínu organické (uhlovodíkové) sloučeniny odpaření při nízkých teplotách / tlacích poskytují vyšší účinnost cyklu pro jednoduchou jednostupňovou turbínu silikonový olej, alkany, freony, pentan, propan, toluen, čpavek nekorozivní, neagresivní, bez úpravy, hořlavé látky využití tepla pro vytápění, ohřev vody (nízké teploty) palivo palivo s nízkou výhřevností: biomasa geotermální energie, sluneční energie, odpadní teplo (!)

35 Organický Rankinův cyklus (ORC) 35/82 bez rekuperátoru T expanze do oblasti přehřáté páry rekuperace tepla! s

36 Organický Rankinův cyklus (ORC) 36/82 s rekuperátorem T s

37 Organický Rankinův cyklus (ORC) 37/82

38 Organický Rankinův cyklus (ORC) 38/82 K ekonomizér výparníky

39 Organický Rankinův cyklus (ORC) 39/82 ORC soustrojí olejová strojovna kotel

40 Organický Rankinův cyklus (ORC) 40/82

41 Organický Rankinův cyklus (ORC) 41/82 účinnost závisí na teplotě termooleje teplotě chladicí vody účinnosti rekuperace termodynamické účinnosti turbíny komerční jednotky 200 až 1500 kw e 16 až 18 % při 300/250 C (olej) a 60/80 C (voda)

42 Organický Rankinův cyklus (ORC) 42/82

43 Organický Rankinův cyklus (ORC) 43/82 30 až 65 kwe 190 až 240 C dvojitý šroubový expandér

44 Organický Rankinův cyklus (ORC) 44/82 10 kw e 50 kw e

45 Organický Rankinův cyklus (ORC) 45/82 výhody využití při nízkých teplotách primárního zdroje jednoduchá konstrukce turbíny, vysoká účinnost turbíny i při nízkých výkonech (zatížení) dobrá regulace soustrojí v celém výkonovém rozsahu vysoká životnost nízké otáčky, nízké mechanické namáhání turbíny nízké teploty a tlaky, běžné konstrukční materiály odpadá chemická úprava pracovních látek nízké provozní náklady

46 Organický Rankinův cyklus (ORC) 46/82 nevýhody nároky na těsnost cena

47 Organický Rankinův cyklus (ORC) 47/82 využití produkce el. energie z nízkopotenciální energie: odpadní teplo technologické procesy obnovitelné zdroje tepla geotermální, biomasa, sluneční energie, apod.

48 Palivové články 48/82 přímá přeměna chemické energie látek na elektrickou podobně jako baterie... ALE... látky nejsou součástí anody/katody průběžně přiváděné jako palivo elektrody jsou pouze katalyzátorem chemických přeměn bez limitu Carnotova cyklu pro termodynamické oběhy

49 Palivové články 49/82 kyslíko-vodíkový článek anoda elektrolyt katoda (+ katalyzátor) anoda přívod paliva (vodík) atomy vodíku za přispění katalyzátoru ztrácejí elektrony elektrony putují vnějším obvodem ke katodě elektrický proud katoda přívod okysličovadla (kyslík) redukce, atomy okysličovadla přijímají volné elektrony a reagují s kladnými ionty vodíku procházejícími elektrolytem elektrolyt - kyseliny, zásady, keramiky, membrány různé typy PČ

50 Palivové články 50/82

51 Palivové články 51/82 vodík vzduch elektrolyt vzduch voda

52 Palivové články 52/82

53 Palivové články 53/82 palivo vodík paliva bohatá na vodík: metan, zemní plyn, bioplyn, metanol úprava paliva reforming nízký obsah síry okysličovadlo kyslík produkce vodní páry, CO 2 (v případě uhlíkatých paliv) vzduch produkce NO x

54 Palivové články - druhy 54/82 s alkalickým elektrolytem AFC (Alcaline FC) vodný roztok alkalického hydroxidu (NaOH, KOH) vodík + kyslík katalyzátor platina, nikl, stříbro citlivé na CO 2 provozní teplota 60 až 90 C účinnost: 45 až 70 % výkon: do 20 kw využití: vojenské aplikace, kosmický výzkum

55 Palivové články - druhy 55/82 s polymerní membránou PEMFC (Proton-Exchange-Membrane) polymerní (iontoměničová) membrána místo elektrolytu, vodivá pro vodíkové kationty (protony) nevodivá pro elektrony, hydratovaná (vodivost), sulfonované fluoropolymery vodík, metanol + kyslík, vzduch katalyzátor platina necitlivé na CO 2 nízká pracovní teplota do 90 C (kvůli hydrataci), rychlý náběh účinnost: 40 až 45 % výkon: do 250 kw využití: mobilní aplikace

56 Palivové články - druhy 56/82 s kyselinou fosforečnou PAFC (Phosphoric Acid FC) elektrolytem je kyselina fosforečná H 3 PO 4 v matrici z PTFE nebo karbidu křemíku SiC vodík z parního reformingu fosilních paliv + vzduch katalyzátor platina pracovní teploty 150 až 220 C účinnost: 35 až 45 %, celková účinnost 85 % výkon: 50 až stovky kw využití: kogenerační jednotky, stacionární generátory

57 Palivové články - druhy 57/ kw PAFC

58 Palivové články - druhy 58/82 s tavenými uhličitany MCFC (Molten Carbonate FC) elektrolytem je tavenina směsi alkalických uhličitanů (Li, Na, K vodivé soli) v matrici LiAlO 2 vnitřní parní reforming přímo v článku: vodík, CO + vzduch bez drahých katalyzátorů, neplatinové pracovní teploty 600 až 700 C účinnost: 45 až 60 % výkon: do několika MW využití: kogenerační jednotky

59 Palivové články - druhy 59/ kw MCFC

60 Palivové články - druhy 60/82 s pevným elektrolytem SOFC (Solid Oxide) elektrolytem je iontově vodivá keramická membrána ZrO 2 vnitřní reforming přímo v článku: zemní plyn, bioplyn, vodík + CO + vzduch bez drahých katalyzátorů pracovní teploty 800 až 1000 C pro zajištění iontové vodivosti membrány účinnost: 40 až 65 % výkon: do několika MW využití: kogenerační jednotky

61 Palivové články SOFC 61/82

62 Palivové články SOFC 62/82 1 palivový článek 2 parní generátor, hořák, výměníky 3 vysokoteplotní izolace 500 až 2000 W!

63 Palivové články SOFC 63/82

64 Palivové články - druhy 64/82

65 Palivové články - druhy 65/82 výhody nízké opotřebení vysoká životnost (desetitisíce hodin) nepřítomnost pohyblivých částí tichý chod spolehlivost

66 Palivové články - druhy 66/82 nevýhody pomalý náběh měly by pracovat v trvalém provozu odstraňování zplodin chemických reakcí: voda, jiné produkty oxidace udržování optimální teploty cena elektrody, pomocná zařízení

67 Stirlingův motor 67/82 teplovzdušný motor motor s vnějším spalováním dva vzájemně propojené zdvihové prostory s rozdílnou teplotou uzavřený oběh pracovní látky inertní plyn s vysokou roztažností, např. helium střídavě se zahřívá / roztahuje objem ochlazuje se / zmenšuje svůj objem hnací silou je rozdíl teplotních hladin dvou prostorů (objemů) dva písty, jeden nebo dva válce podle modifikace α, β, γ

68 Stirlingův motor - modifikace 68/82 α β γ

69 Stirlingův motor - princip 69/82 princip modifikace β přeháněcí (expanzní) píst vůle mezi pístem a válcem pracovní (kompresní) píst utěsněný písty jsou spojeny klikovým mechanismem zpoždění o ¼ otáčky (90 ) setrvačník pomáhá překonat mrtvý bod, zajišťuje plynulý chod motoru přeháněcí píst chlazení pracovní píst ohřev

70 Stirlingův motor - princip 70/82 přeháněcí píst přemístí plyn do ohřívané části válce plyn se ohřívá, zvětšuje svůj objem a tlak vytlačuje pracovní píst do horní úvrati roztáčí se setrvačník přeháněcí píst začíná přesouvat plyn do chlazené části válce

71 Stirlingův motor - princip 71/82 přeháněcí píst přemístil plyn do chlazené části válce plyn se ochlazuje, zmenšuje svůj objem a tlak pracovní píst je v dolní úvrati přeháněcí píst začíná plyn přesouvat do ohřívané části válce, kde se znova ohřívá celý cyklus se opakuje

72 Stirlingův motor - princip 72/82

73 Stirlingův motor - princip 73/82 modifikace α koncepčně nejjednodušší expanzní válec každý píst ve vlastním válci regenerátor potřeba velkého rozdílu teplot nejpoužívanější modifikace kompresní válec

74 Stirlingův motor - princip 74/82 modifikace β klasická modifikace patentovaná R. Stirlingem oba písty v jednom válci problém s utěsněním ojnice v pístu vývoj SM s volným pístem

75 Stirlingův motor - princip 75/82 modifikace γ vlastně β ve dvou válcích ohřívá se část přeháněcího válce chladí se zbytek přeháněcího válce a pracovní válec pouze jako modely

76 Stirlingův motor 76/82 malé výkony výkon 1 kw e / 6 kw t dodatkový zdroj kondenzační kotel celková účinnost 96 % teplárenský modul 0,17 Stirling s volným pístem bez klikové hřídele plyn - helium

77 Stirlingův motor 77/82 Stirlingův motor s volným pístem modifikace β volný píst na teplé straně (expanzní) bez mechanické vazby na píst pracovní pohyb je buzen diskovými pružinami (membránami) lineární generátor poháněn jen pracovním pístem pružné uložení pístní tyče v diskových pružinách

78 Stirlingův motor 78/82 hlava žebra regenerátor převáděcí píst vodní chladič pracovní píst magnety cívky lineární el. generátor

79 Stirlingův motor 79/ EUR = CZK (bez montáže)

80 Stirlingův motor v kotli na pelety 80/82

81 Stirlingův motor 81/82 výhody dokáže využít jakýkoli zdroj tepla, paliva nevhodná pro pístové motory a spalovací turbíny s regenerátorem účinnost až 40 % (naftové motory) tichý chod vysoká životnost a spolehlivost bez ventilů

82 Stirlingův motor 82/82 nevýhody vysoká teplota ohříváku, vysoký tlak plynu desítky MPa malý výkon vztažený ke hmotnosti problémy s těsností motoru obtížná regulace výkonu cena