Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla pomocí vysokoteplotních palivových článků s tuhým elektrolytem

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Ústav chemických procesů Akademie věd ČR Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla pomocí vysokoteplotních palivových článků s tuhým elektrolytem Michael Pohořelý Ústav energetiky, VŠCHT v Praze Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i. Česká asociace pro pyrolýzu a zplyňování

2 Zplyňování biomasy H 2 + CO + CH 4 + minoritní sloučeniny + CO 2 + H 2 O + (N 2 ) + nečistoty (dehet, prach, sloučeniny síry, chloru apod.) Teplo Palivo + zplyňovací médium (vzduch, O 2, pára, CO 2 )

3 Výhody zplyňování oproti spalování Převedení tuhého paliva s velkým měrným objemem (pevné palivo) na plynné palivo s možností spalování v tepelných strojích. Syntéza alternativních paliv. Kogenerace s vyšším teplárenským modulem. Nižší provozní náklady. Úspora primárních paliv. Snížení produkce CO 2, SO 2, NO X, CO, TZL, POP apod. na jednotku el. výkonu. Platí pro výkonové měřítko do cca 10 MW e (50 MW t )

4 Účinnost výroby elektrické energie z biomasy I Teoretická elektrická účinnost [%] Palivové články Plynový motor Stirlingův motor Elektrický výkon [kw el ] Turbína Plynová turbína Parní turbína Spoluspalování Hofbauer H: Vergasung ein Baustein zur Realisierung von Polygeneration. Symposium Polygeneration, Güssing (2005).

5 Účinnost výroby elektrické energie z biomasy II Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).

6 Účinnost výroby elektrické energie III η = η pl * η kj Elektrická účinnost celého kogeneračního systému (η) je definována násobkem účinnosti výroby plynného paliva (η pl ) a hodnotou účinnosti výroby elektrické energie v kogenerační jednotce (η kj ) Zařízení použitá pro výrobu elektrické energie 1. Spalovací elektrárna s parní turbínou (11 MW e ) (Zelený kotel, 33 MW t ),2010, Plzeň 2. Spalovací elektrárna s parní turbínou (11 MW e ) (Spalování čisté biomasy, 105 MW t ), od 2009, Hodonín 3. Vícestupňového generátoru (0,2 MW e ) GP200 Tarpo, spol. s r.o., Kněževes, Vícestupňový generátor ODRY (1 MW e ) Tarpo, spol. s r.o., AIR TECHNIC s.r.o., 2012 Účinnost konverze η pl, % Účinnost výroby, η kj, % Celková účinnost η, % Náklady tis Kč./kW e , min max ,2 30, , Zplyňovací generátor SOFC Velmi vysoké

7 Vícestupňový zplyňovací systém TARPO Zjednodušené schéma procesu TARPO : Základní parametry komerčního projektu GP500 lokalita Odry Jmenovitý el. výkon 2x 500 kw e Spotřeba dřevní štěpky (abs. suché) 360 kg/hod Velikost štěpky 6 až 80 mm Vlhkost až 60% Elektrická účinnost 32,4% Specifická spotřeba paliva (abs. suché) cca 0,7 kg/ kwh e Specifická el. práce cca 1,43 kwh e /kg

8 Aravind P.V., Wiebren de Jong: Evaluation of High Temperature Gas Cleaning Options for Biomass Gasification Product Gas for Solid Oxide Fuel Cells. Progress in Energy and Combustion Science 38, pp (2012). Požadavky na čistotu plynu pro SOFC Prach (tuhé znečišťující látky): < 1 mg/m 3. Dehty (výše vroucí organické látky): mg/m 3. Sirné sloučeniny ( H 2 S, COS, CS 2, organické sloučeniny): jednotky ppm v Halogenovodíky ( HCl, HF, HBr): jednotky ppm v NH 3 a jiné dusíkaté sloučeniny: limitní obsah není specifikován.

9 Návrh čistící trati pro SOFC Primární'jemné'odprášení' Přehřátá'pára' keramické' svíčkové' filtry' Sorpce' halogenvodíků' (500' C)' 750' >'500' C' Sorpce'sirných' sloučenin' (400' C)' Vlhká' lignocelulózová' biomasa' ' Pásová' sušárna' Primární'opatření:' Rmateriál'fluidní'vrstvy' Rrecirkulace'spalin' W=5 10'hm.'%' ' Fluidní'reaktor' 850 C' ' 750 C' ' Příprava'a' ohřev' zplyňovacího' a'fluidačního' média' ' Terciální' ultrajemné' odprášení' Sekundární' jemné'odprášení' (alkalické'kovy)' (400' C)' Ohřev'plynu' až'na'1000' C' (injekcí' kyslíku)' Dopalovací' komora' SOFC' ORC' ' ' Vzduch' ' Vzduch' ' Membránová' separační' jednotka' <'95%'O 2' H 2 O,'CO 2,'(N 2 )' N 2'

10 Příklad našich výsledků dehalogenace plynu Palivo zemědělská biomasa či alternativní palivo (zvýšený obsah HCl v plynu) primární sorpce halogenovodíků na sorbentech na bázi kovů alkalických zemin (vápenec, či dolomit) sekundární sorpce na sorbentech na bázi alkalických kovů. Palivo dřevní biomasa (velmi nízký obsah HCl v plynu) sorpce na sorbentech na bázi alkalických kovů. Výhody K-sorbentů proti Na-sorbentům: přívětivější rovnováha s halogenovodíky. Nevýhody K-sorbentů proti Na-sorbentům: vyšší cena, vyšší tenze draselných než sodných sloučenin.

11 Dehalogenace plynu I Rovnovážná koncentrace HCl (ppm) Na-sorbent Na-sorbent Na-sorbent K-sorbent K-sorbent K-sorbent Teplota ( C) Simmel, P. A.; Jukka, K.; Leppälahti, J. K.; Kurkela, A. Tar-Decomposing Activity of Carbonate Rocks under High CO 2 Partial Pressure. Fuel 1995, 74, Solich, M. Vysokoteplotní odstranění H 2 S a HCl z plynu produkovaného zplyňováním biomasy a odpadu. Diplomová práce, VŠCHT Praha, Stemmler, M.; Müller, M. Chemical Hot Gas Cleaning Concept for the CHRISGAS Process. Biomass and Bioenergy 2011, 35(1), 1-11.

12 Dehalogenace plynu vliv prostorové rychlosti 500 C, 101,325 kpa Šustr V. Vysokoteplotní odstraňování chlorovodíku z modelového generátorového plynu pomocí sorbentu na bázi sodíku. Bakalářská práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2013). Cabáková G.: Vysokoteplotní čištění generátorového plynu ze zplyňování biomasy odstraňování halogenidů. Diplomová práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2012).

13 Dehalogenace plynu vliv složení plynu Šustr V. Vysokoteplotní odstraňování chlorovodíku z modelového generátorového plynu pomocí sorbentu na bázi sodíku. Bakalářská práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2013). Cabáková G.: Vysokoteplotní čištění generátorového plynu ze zplyňování biomasy odstraňování halogenidů. Diplomová práce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky (2012).

14 Děkuji za pozornost.

15 VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE Ústav chemických procesů Akademie věd ČR Ing. Michael Pohořelý, Ph.D. tel.: pohorely@icpf.cas.cz pohorelm@vscht.cz AHK Services s.r.o. Váš kompetentní partner pro česko-německý obchod

16 Maximální teoretická účinnost Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).

17 Vliv parametrů palivových článků na napětí Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).

18 Vliv teploty na napětí SOFC Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).

19 Vliv teploty na účinnost celého systému Porš Z.: Palivové články, Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. (2002).