Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad ZEMNÍ PLYN JAKO ZDROJ PRO KOMBINOVANOU VÝROBU ELEKTŘINY A TEPLA V ZAŘÍZENÍ NÍZKÝCH VÝKONŮ Petr Mydlil 1), Jakub Maščuch 2) 1) Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad 2) Ústav energetiky, Fakulta strojní, ČVUT, Praha 6 ANOTACE Kombinovaná výroba elektřiny a tepla (kogenerace) ze zemního plynu patří mezi jeden z nejefektivnějších zdrojů energie z pohledu stupně využití paliva. Zemní plyn je využíván i pro kogenerační zařízení o nízkých výkonech do 100 kw tepla. Zejména se jedná o spalovací motory a spalovací turbíny. Snaha o zvyšování účinnosti těchto zařízení však vede i k významnému navýšení jejich investičních nákladů. To často způsobuje velmi malou nebo žádnou uplatnitelnost těchto zařízení na trhu. Kromě navyšování účinnosti samotného spalovacího zařízení lze celkový stupeň využití paliva zvýšit i dodatečnou instalací technologie na využití odpadního tepla. Tento článek se zaměřuje právě na využití odpadního tepla ze spalovací turbíny nízkého výkonu a jeho vlivu na celkovou účinnost zařízení. SUMMARY One of the most effective utilization of natural gas as a fuel is the combined heat and power production (cogeneration). Currently, natural gas is used even at low power cogeneration units up to 100 kw in heat. Mostly combustion turbines and engines are used. The effort for increase of the efficiency of these devices leads to significant increase of the investment costs. Often, it causes very low or no applicability of these solutions on market. In addition to increase of the efficiency of combustion device itself, the overall efficiency can be improved also by the installation of the waste heat recovery device. This paper is focused precisely on the waste heat recovery from low power combustion turbine and its effect on total efficiency of the device. ÚVOD V současnosti je patrný nárůst zájmu průmyslových podniků i jednotlivých subjektů o snižování finančních nákladů na elektřinu a teplo. To je pravděpodobně způsobeno významným zvyšováním jak cen energií, tak jejich spotřeby. Úspory energie je možné provádět na straně spotřeby a na straně výroby a distribuce. Na straně spotřeby se jedná především o úspory tepla na vytápění (zateplení), přípravu teplé vody (úsporné armatury, tepelné izolace) a elektřiny (úsporné osvětlení, úsporné spotřebiče). Výrazný potenciál úspor leží ve výrobě elektrické energie a tepla. U moderních elektráren se stupeň využití paliva pohybuje pod 40 %. Zbytek energetického obsahu je bez užitku vypuštěn jako odpadní teplo do okolního prostředí. Nabízí se zde kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET). Tato možnost je však zpravidla omezena umístěním zdroje ve větší vzdálenosti od míst, kde by bylo možné teplo využít. Koncepce kombinované výroby elektřiny a tepla je proto vhodná zejména v menších decentralizovaných energetických systémech. Tato možnost je 191
výhodná nejen z pohledu ekonomického, ale i z hlediska dopadů na životní prostředí. Rostoucí tlak na snižování produkce oxidu uhličitého pak vede ke snaze využít paliva s nízkým obsahem uhlíku, konkrétně zemního plynu. Pro kombinovanou výrobu ze zemního plynu jako paliva jsou dnes nejčastěji používány stacionární spalovací motory. Z pohledu nasazení v menších energetických celcích (malé podniky, bytové domy, administrativní budovy státní správy, apod.) jsou spalovací motory relativně nevhodné. Zejména se jedná o jejich hlučnost a nutnost stavebních úprav při jejich instalaci. V neposlední řadě je také nutný jejich častý servis. Další možností je nasazení tzv. mikroturbín. Ve srovnání se spalovacími motory mají mikroturbíny řadu výhod. Jedná se především o bezúdržbový provoz, nižší hlučnost, nízké emise, jednodušší instalaci a kompaktní balené provedení. Nevýhodou je však nižší účinnost výroby elektrické energie o 5-10 procentních bodů oproti spalovacímu motoru. Mikroturbína má však, na rozdíl od motoru, potenciál stát se zdrojem tepla a elektřiny i pro menší energetické celky. Problémem však stále zůstává relativně nízká účinnost mikroturbín. V současnosti je nejvýznamnějším výrobcem mikroturbín americká společnost Capstone. Její výrobky dosahují nejlepších technických parametrů, jsou ovšem poměrně nákladné. Komerční cena CHP jednotky C65 se v českých podmínkách pohybuje kolem 240 000 včetně výměníku, montáží a uvedení do provozu (tj. cca 3 700 /kwel). Detailní technické parametry výrobce nezveřejňuje, mikroturbíny jsou však předmětem matematického modelování a experimentů [1]. Tab. 2 uvedená dále rekapituluje klíčové technické údaje pro mikroturbínu C30. V prvním sloupci jsou uvedeny údaje z [1], ve druhém pak údaje použité pro výpočet. Výpočet zahrnuje do energetické bilance tepelného cyklu ještě údaje od výrobce mikroturbín Capstone [2] a z pramene [3]. Z uvedených údajů je zřejmé, že mikroturbíny dosahují velmi vysokých isoentropických účinností kompresoru i turbíny. Otázka zní, kde je hranice praktické využitelnosti tohoto systému při použití méně kvalitních strojů. Dosahování vysokých parametrů vede k tomu, že zařízení je technologicky velmi náročné. Určitou možností je využití významně levnější technologie spalovací turbíny (např. derivát z turbodmychadla a zařízení doplnit o ORC. Přestože koncept vypadá jako složitější, výsledná cena může být s ohledem na nízké výrobní náklady obou technologií nižší. Otázkou je, jak se bude vyvíjet účinnost soustrojí. POSTUP VÝPOČTU Matematický model vytvořený pro účel výpočtu efektivity soustrojí mikroturbíny a ORC y tohoto článku vychází z parametrů mikroturbíny Capstone C30. Vnitřní schéma mikroturbíny je uvedeno na Obr. 1, zapojení s ORC zařízením je uvedeno na Obr. 2. Průběh vlivu účinnosti expanzní části mikroturbíny a kompresoru je proveden nejprve pro samotnou mikroturbínu a poté pro spojení s ORC zařízením s parametry uvedenými v Tab. 1. Pro zjednodušení lze předpokládat, že kompresor a expanzní část turbíny jsou kvalitativně podobné stroje a jejich termodynamickou účinnost tak lze považovat za velmi blízkou. Sloupec 3 v Tab. 2 uvádí korigovaný výpočet mikroturbíny Capstone tak, aby se blížily hodnoty termodynamické účinnosti kompresoru a turbíny. Je zřejmé, že za daných podmínek dojde pouze k očekávanému mírnému poklesu teploty na vstupu do turbíny. 192
Pro hodnocení můžeme na základě výše uvedených informací předpokládat, že při volbě levnější technologie kompresoru i turbíny bude přibližně rovnoměrně klesat jejich termodynamická účinnost. Pro hodnocení dále předpokládáme konstantní příkon energie v palivu, neměnnou teplotu na vstupu do turbíny a konstantní účinnost regenerace. Tab. 1 Základní parametry ORC systému Účinnost expandéru 0,65 Účinnost generátoru 0,96 Účinnost elektroniky 0,96 Účinnost čerpadla 0,6 Obr. 1 Vnitřní schéma mikroturbíny Pracovní látka Výstupní teplota spalin Kondenzační teplota Rekuperace Siloxan 373 K 323 K NE Legenda: 1 vstup vzduchu 2 kompresor 3 rekuperátor 4 spalovací komora 5 turbína 6 přívod zemního plynu 7 ORC výparník 8 ORC čerpadlo 9 ORC expandér 10 ORC kondenzátor 11 výstup spalin Obr. 2 Schéma spojení ORC a mikroturbíny ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ Výstup matematického modelu jsou znázorněny v následujících třech grafech. Grafy na Obr. 3 a 4 byly sestaveny pro samotnou mikroturbínu, graf na Obr. 5 porovnává výstupní parametry samotné mikroturbíny oproti soustrojí ORC + mikroturbína. Graf na Obr. 4 jednoznačně potvrzuje předpoklad, že celková účinnost mikroturbíny výrazně klesá s klesající účinnosti kompresoru a expanzní části. Při vyšších účinnostech komponenty 193
kompresor expanzní část je patrný prudší pokles účinnosti mikroturbíny s rostoucí výstupní teplotou spalin. Lze tedy odvodit, že mikroturbína s vysokou účinností těchto komponent bude na pokles jejich účinnosti citlivější. Graf na Obr. 3 zobrazuje, jakým způsobem je provázán hmotový tok spalin a jejich teplota pro různé účinnosti komponenty kompresor expanzní část. Průběhy jednotlivých křivek ukazují, že vysoká účinnost této komponenty znamená nižší výstupní teplotu spalin i nižší hmotový tok. Pro samotnou mikroturbínu je to žádoucí, protože tím roste stupeň využití paliva. Tepelný výkon v odchozích spalinách se snižuje na úkor rostoucí účinnosti komponent a tedy i jejich ceny. Např. poklesu účinnosti komponenty kompresor expanzní část mikroturbíny z 0,9 na 0,65 a výstupní teplotě 500 K naroste hmotový tok (a tedy i tepelný výkon) o 58% oproti původní hodnotě. Finální výsledky matematického modelu uvádí graf na Obr. 5. Průběhy jednotlivých křivek korespondují s výsledky modelu samotné mikroturbíny, kde je při nižší účinnosti komponenty kompresor expanzní část k dispozici větší tepelný výkon ve spalinách a tím i větší potenciál pro zařízení ORC. Zejména důležitá je informace, že s klesající účinností kompresoru a expanzní části mikroturbíny narůstá vliv ORC na celkovou účinnost soustrojí. Při nízké účinnosti komponenty kompresor expanzní část dochází dokonce k nárůstu celkové účinnosti i při zvyšující se teplotě výstupních spalin. Zajímavou informaci dávají i průsečíky jednotlivých křivek (znázorněny červeně). Např. průsečík označený číslem 3 udává, že samotná mikroturbína s účinností komponenty kompresor expanzní část 0,815 (přerušovaná čára) dosahuje stejné celkové účinnosti jako mikroturbína při účinnosti 0,75 této komponenty ale ve spojení se zařízením ORC (plná čára). Tab. 2 Parametry soustrojí turbína-orc [1] Kor. I Kor. II Elektrický výkon mikroturbíny kw 30 30 30 Vstupní teplota do turbíny K 1114 1109 1103 Výstupní teplota z turbíny K 872 872 872 Teplota okolí K 288 288 288 Tlak okolí MPa 0,101 0,101 0,101 Tlakový poměr kompresoru 1 3,6 3,6 3,6 Účinnost rekuperace turbíny 1 0,79 0,909 0,910 Účinnost spalovací komory 1 0,98 0,980 0,980 Isoentropická účinnost kompresoru 1 0,78 0,780 0,815 Isoentropická účinnost turbíny 1 0,83 0,833 0,816 Účinnost generátoru 1 0,96 0,960 0,960 Účinnost elektroniky 1 0,96 0,960 0,960 Hmotnostní průtok spalin kg/s - 0,31 0,31 Elektrická účinnost % - 26,0 26,0 Výstupní teplota spalin K 550 530 530 194
total ORC+microturbine efficiency [1] exhaust gas mass flux [kg/s] total microturbine efficiency [1] 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 td eff. 1 td eff. 0,9 td eff. 0,815 td eff. 0,75 td eff. 0,65 Capstone C30 0.6 0.5 0.4 0.3 td eff. 1 td eff. 0,9 td eff. 0,815 td eff. 0,75 td eff. 0,65 Capstone C30 0.4 0.2 0.3 0.2 0.1 0.1 400 500 600 700 800 900 exhaust gas temperature [K] Obr. 3 Závislost hmotnostního průtoku na teplotě výstupních spalin 0.0 400 500 600 700 800 900 exhaust gas temperature [K] Obr. 4 Závislost celkové účinnosti mikroturbíny na teplotě výstupních spalin 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 Pozn.: čárkovaná čára znázorňuje samotnou mikroturbínu, plná čára soustrojí mikroturbína + ORC. Barvy čar odpovídají účinnostem v legendě grafu td eff. 1 td eff. 0,9 td eff. 0,815 td eff. 0,75 td eff. 0,65 Capstone C30 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 3 1 2 0.00 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 exhaust gas temperature [K] Obr.5 Porovnání účinnosti mikroturbíny a spojení ORC-mikroturbína 195
ZÁVĚR Možnost nasazení mikroturbín je v současnosti omezena zejména jejich relativně vysokou investiční náročností. Vzhledem k vysoké ceně paliva, kterým je zemní plyn, jsou i vysoké parametry v současnosti komerčně dostupných mikroturbín relativně nedostatečné a pro masovější nasazení by je bylo nutno ještě zvýšit, což by se ale pravděpodobně odrazilo i na dalším zvýšení investičních nákladů. Mikroturbína jako taková má velký potenciál stát se efektivním a ekologickým zdrojem elektrické energie a tepla jak v oblasti průmyslových podniků, tak v oblasti bytového sektoru a veřejných budov. Teoreticky se zde nabízí i možnost budoucího vývoje malých jednotek ve výkonové řadě 1 až 10 kw pro aplikaci do inteligentních domů, apod. Tato možnost je však značně závislá na dosažení nižších pořizovacích nákladů. Cílem tohoto článku byl mírně odlišný pohled na danou problematiku. Výsledky ukazují, že lze pracovat i s možností vývoje levnější mikroturbíny s výrazně nižšími parametry, pokud bude energie z paliva nevyužitá přímo v mikroturbíně zhodnocena v dalším přídavném zařízení, v konkrétním případě jednotkou na principu ORC. Realizace takového zařízení však znamená relativně dlouhý a nákladný vývoj jak mikroturbíny, tak systému ORC vhodného pro danou aplikaci. LITERATURA [1] MALINOWSKI, L., LEWANDOWSKA, H. Analytical model-based energy and exergy analysis of a gas microturbine at part-load operation. Applied Thermal Engineering. 2013, č. 57, s. 125-132. [2] CAPSTONE. Capstone Turbine Corporation [online]. 2013 [cit. 2014-03-27]. Dostupné z: www.capstoneturbine.com. [3] ŠUROVSKÝ, J. Spalovací turbíny. 2013, 245 s. ISBN 978-80-260-4106-1. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 196