Nové technologie v klasické energetice seminář ELEKTROENERGETIKA A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ 25.9.2001 Ladislav Ochrana, VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství 1. Úvod Klasická energetika představuje reálný energetický potenciál v širokém výkonovém pásmu od nejmenších po nejvyšší výkony. Při jejím uplatnění musí být dosaženo. nízké konkurenceschopné ceny elektřiny a tepla s ohledem na uplatnění na trhu (liberalizace ). podlimitních hodnot emisních škodlivin (legislativa). vysoké provoz ZIÚ spo1eh1ivosti (tepelná hospodárnost). vysoké celkové účinnosti transformace energie s ohledem na nezvyšování koncentrace CO2 (mezinárodní úmluvy). Srovnání typických různých procesů výroby elektrické energie vůči ideálnímu Carnotovu cyklu (tj. cyklu v daném rozmezí teplot s maximální účinností) při různých procesních teplotách je v obr. 1. Oproti současným konvenčním elektrárnám dochází k nárůstu procesních teplot v parním i plynovém cyklu a tím i zvýšení tepelné účinnosti. 2. Elektrárny s vysokou tepelnou účinností Jednotlivé způsoby výroby elektrické energie mají určitá teoretická i praktická omezení. Vývojové práce programu Clean Coal Technology, zaměřené na moderní metody využití uhlí jsou směrovány na: 1. jednotky s nadkritickými parametry páry 2. jednotky s tlakovým fluidním spalováním (PFBC)
3. jednotky s integrovaným zplyňováním (IGCC) I když náklady na tento vývoj jsou značné, jeví se z pohledu hospodárného a ekologického využívání levného uhlí jako perspektivní. S klasickými jednotkami založenými na Rankin Clausiově parním cyklu jsou největší zkušenosti. Zvyšování účinnosti cyklu je u nich v současné době umožněno především vyšší úrovní materiálového výzkumu. Rozhodující ovlivnitelné veličiny, ovlivňující účinnost cyklu jsou patrné z obr. 2. Uvedené klasické jednotky maximálně využívají možnosti nově vyvinutých ocelí na bázi chrómu a molybdenu s výstupní teplotou páry kolem 600 C a tlaku kolem 30 MPa. Vysoký počet regenerativních ohříváků vody, při teplotě napájecí vody 320-340 C, 2-3 přehřívání páry, věžové průtočné práškové granulační kotle s hořáky s potlačenou tvorbou NOx (pod 200mg/m 3 u HU), s obsahem CO pod 250 mg/m 3 a s obsahem 1,5-2,5% nespálených Látek v popílku. Při tlaku v kondenzátoru 3,5 kpa a teplotě chladící vody 100 C. lze dosáhnout netto účinnosti tepelného cyklu cca 45% při vlastní spotřebě 7,8% (včetně odsíření). Jednotky s tlakovým fluidním spalováním pracují v kombinovaném paroplynovém cyklu. Celkem je ve světě v provozu asi 10 těchto jednotek. Spalovací proces probíhá při teplotách 850-950 C a tlaku 1,2-1,6 MPa. Odsíření a denitrifikace spalin se uskutečňuje v tlakové fluidní vrstvě dávkováním CaCO 3 a NH 3, takže nejsou nutná sekundární opatření k redukci NO x a SO 2. Spaliny o teplotě 850-950 C je nutné před vstupem na spalovací turbínu účinně vyčistit od tuhých částic v odlučovačích. Předehřátá pára se vyrábí v tlakové nádobě spalovacího prostoru v ponořeném přehříváku. Vzhledem k odsíření spalin již v ohništi je možno volit nižší teploty spalin na konci kotle. Poměr Ca/S je u tlakového t1uidního spalování relativně nízký (1,1-
1,4), emise NO x jsou pod 150 mg/m 3. Celkově je tato technologie limitovaná na straně plynového cyklu teplotou t1uidního lože, která je nepřekročitelná. Z tohoto důvodu je omezena vstupní teplota spalin do plynové turbíny, v důsledku čehož mají tyto jednotky max. účinnost 43%. Jejich výhodou oproti granulačním práškovým kotlům je možnost spalování velmi nekvalitního uhlí a odpadů. Třetím v současné době rozvíjeným způsobem využití uhlí je integrované zplyňování uhlí. Podle způsobu zplyňování používají se reaktory s pevným sesuvným Ložem, reaktory s t1uidním Ložem a reaktory s unášeným Ložem (hořákové zplyňování). Po zplynění do(;bází k využití plynu v plynové turbíně a následně spalin v parním cyklu. Obdobně jako u PFBC je i zde s výhodou použít paroplynový cyklus. Základním rozdílem oproti PFBC je vyšší vstupní teplota produkovaného plynu do spalovací turbíny a tudíž i potenciální možnost dosažení vyšší tepelné účinnosti cyklu. To ovšem předpokládá vysokoteplotní čištění plynu, přičemž tento proces zpravidla zahrnuje odprášení, odsíření, denitrifikaci, případně odstranění alkálií. U elektráren IGCC se počítá s tepelnou účinností při využití hnědého uhlí cca 46%, perspektivně se uvádí i vyšší účinnost. Ekologické charakteristiky jsou velmi výhodné. Odloučená síra je vhodná ke zpracování v chemickém průmyslu. Výhodou je nesporně i fakt, že se odstraní spotřeba vápence, k níž dochází při čištění spalin mokrou metodou ev. ve t1uidních kotlích. Technologie IGCC je poměrně složitá a představuje rozsáhlý chemicko energetický komplex. Za základní argument odpůrců fosilní energetiky na bázi spalování se dnes považuje vznik CO 2. Jeho snížení je daleko obtížnější než redukce tuhých Látek, CO, NO x, a SO 2. CO 2 je považován za základní skleníkový plyn, který by s ostatními skleníkovými plyny mohl způsobit globální zvýšení teploty atmosféry o 1,5-4,5 C a tím vyvolat závažné klimatické změny. Reálnou cestou stagnace nebo dokonce snížení jeho koncentrace je snížení celkové spotřeby fosilních paliv. To lze docílit zvýšením účinností energetických přeměn nebo snížením energetické náročnosti ekonomiky. Současná jednání vyspělých států o nezvyšování produkce CO2 v atmosféře stagnuje, USA nechtějí vkládat do výzkumu finanční prostředky, které by ovlivnily ekonomickou prosperitu země. Z uvedeného pohledu produkuje čistou energii současná jaderná energetika založená na bázi štěpení jader těžkých izotopů pomalými neutrony. Tato technologie se sice vyznačuje relativně nižší tepelnou účinností přeměny primární energie na energii elektrickou, neprodukuje však žádné emise ani skleníkové plyny. Současné jaderné elektrárny se v porovnávají s klasickými zdroji vyznačují enormně nízkou technickou poruchovostí i nízkými výrobními náklady. Přesto jaderná energetika dnes naráží na značný odpor, daný politizací problému, neoprávněnými obavami s velkých provozních havárií a velmi diskutovanou otázkou ukládání radioaktivních odpadů. Soudobá jaderná energetika již dnes představuje reálnou konkurenceschopnou technologii vůči klasické energetice. I když dochází v některých zemích k útlumu jaderné energetiky, lze v budoucnosti očekávat rozvoj pokročilých jaderných technologií. Lidstvo se v dlouhodobé perspektivě neobejde bez využívání nových forem jaderné energie, jako jsou vysokoteplotní reaktory, rychlé množivé reaktory,
urychlovačem řízené reaktory a další, až po využití jaderné fúze. 3. Kotle s atmosférickou fluidní vrstvou V posledních asi 20 letech doznaly velkého rozšíření ve světě i u nás. Představují ověřenou technologii pokrývající oblast výkonu od 50 do 750 t/h, u nás je největším fluidním kotlem kotel o výkonu 3 50 t/h. Fluidními kotli se řeší též rekonstrukce z jiných způsobů spalování. Srovnání řazení jednotlivých provozních souborů u kotle s atmosférickou fluidní cirkulující vrstvou (ACFB) a práškového co& s mokrou vypírkou spa1in je v obr. 3 Za hlavní výhody kotlů typu ACFB lze považovat: - možnost ekonomického spalování méněhodnotných paliv s vysokým obsahem popelovin včetně spalování biomasy a tříděných odpadů, - účinný odsiřovací a denitrifikační proces bez investičně náročných technologií čištění spalin za kotlem, - možnost snižování teploty spalin a tím i rosného bodu spalin odsířených spaliv, vedoucí ke snížení komínové ztráty a vyšší účinnosti kotle, - vyšší spotřebu procesní vody v odsiřovací jednotce. Za hlavní nevýhody kotlů typu ACFB lze považovat: - vyšší spotřebu vápence k dosažení stejného stupně odsíření - delší dobu najíždění a odstavování kotle, menší pohotovost - obtížnější využitelnost tuhých zbytků po spálení v důsledku obsahu síry. menší výkonový rozsah - vyšší obsah CO ve spalinách. Uvedené kotle většinou pracují v teplárnách s parmími turbínami. K dosažení co
největšího teplárenského modulu prosazuje se zejména u nových systémů použití: - vyšších parametrů páry na vstupu do turbíny - přihřávání páry a rozvinutého regeneračního systému ohřevu napájecí vody ( carnotisace cyklu) - vysokootáčkových parních turbín - nízkého tlaku páry na výstupu z turbíny. Zde má především význam snížení teploty vody v systému CZT Kromě kotlů ACFB používají se též kotle ( většinou výtopenské) se stacionární (bublinkující) t1uidní vrstvou (AFB). Ve většině případů jedná se o rekonstrukce menších roštových nebo práškových kotlů v rozsahu 1-125t/h. Tyto kotle nejsou tak rozšířené jako kotle typu ACFB, neboť u malých jednotek (do 5MW t se obvykle provádí rekonstrukce s náhradou paliva - buď plyn nebo..méně sirnaté palivo. Limit 2500mg/m 3 prakticky znamená při součiniteli přebytku vzduchu 1,4 použití hnědého uhlí s obsahem síry do cca 0,7% nebo černého uhlí s obsahem síry do 1% v palivu bez nutnosti rekonstrukce kotle. 4. Paroplynová a plynová zařízeni Rozvojem kogenerace zvýšil se ve světě i u nás počet plynových a paroplynových zařízení. Paroplynová zařízení prokazují v závislosti na teplárenském modulu největší úspory paliva, nízké hodnoty CO a NO x. bez tuhých částic a SO 2 ve spalinách. Nejdražším zařízením těchto tepláren jsou spalovací turbíny, které prodělávají radikální změny, související z termodynamickou účinností ( až 60% v kondenzačním provozu) a s požadavky na životní prostředí. Nové materiály a konstrukce lopatek umožnily zvýšit teplotu spalin na turbínu na 1250 C, v budoucnu se počítá ještě s dalším možným nárůstem vstupní teploty. To klade značné nároky na snížení koncentrace NO x na podlimitní úroveň. Výzkum a realizace moderních spalovacích turbín probíhá u několika předních výrobců. Používá se spalovací komora leteckého typu, malé kompaktní vysokootáčkové turbíny s malou zastavěnou plochou /15/. Zvyšuje se výkon strojů (stovky MW e ) a současně snižují měrné investiční náklady. Alternativním palivem zemního plynu bývají nízkosírnaté lehké topné oleje. Kotle na odpadní teplo bývají horizontální nebo vertikální s maximálním využitím teplotního spádu spalin při použití vícetlakých parních okruhů a minimální teploty spalin do komína. I zde došlo k posunu při používání žebrovaných trubek směrem k vyšším teplotám spalin. Značného rozvoje dosáhly kogenerační jednotky s plynovými spalovacími motory. Používají se většinou při decentralizovaném zásobování teplem. Nejmenší výkony od několika desítek kw e zabezpečují upravené zážehové automobilové motory, pro větší výkony až do desítek MW e stacionární vznětové motory. Často pokrývají provozovateli pouze jeho vlastní spotřebu elektřiny, technicky však mohou též spolupracovat s nadřazenou elektrizační soustavou. Zatímco nedávno byly vcelku jednoznačné hranice mezi použitím spalovací turbíny
(pro větší výkony) a spalovacím motorem (pro menší výkony), současný vývoj snižuje ke zvyšování výkonů stacionárních spalovacích motorů a snižování výkonů spalovacích turbín. Byla vyvinuta řada mikroturbín o výkonu v desítkách kw e s velmi příznivými ekologickými charakteristikami a nízkou hlučností. Podstatnou výhodou mikroturbín oproti spalovacím motorům je nízká hmotnost. Podaří-li se snížit jejich jednotkovou cenu - např. jejich výrobou v sériích, mohou se stát konkurenty spalovacím motorům i v menších výkonech. Velká paroplynová zařízení bývají napojena na SCZT. Toto spojení umožňuje použití vyšších parametrů páry, vyšších modulů teplárenské výroby elektřiny a úpory primárního paliva. Zemní plyn má z fosilních paliv nejnižší měrnou produkci CO 2 a má tedy na snížení vypuštění CO 2 do ovzduší výrazný vliv. Vypuštění ostatních škodlivin - CO a NO x je kontrolováno a řízeno, což má pozitivní vliv na ekologickou zátěž v místě lokality. Paroplynová zařízení na zemní plyn vznikala u nás v určité euforii v době levného zemního plynu. Dnes, kdy dochází k stálému nárůstu ceny zemního plynu se toto promítá do cen energií těchto jednotek a to ještě pod tlakem opatření k liberalizaci trhu s elektřinou. Tím se dostávají tyto jednotky do obtížné ekonomické situace. Přitom zejména kogenerace v paroplynových zařízeních a v kogeneračních jednotkách se vyznačuje největšími ekologickými a ekonomickými přínosy. 5. Palivové články Jedná se o galvanické články, které přeměňují energii obsaženou v paliv na elektrickou energii. Tato přímá přeměna neprobíhá Carnotovým cyklem přes II. zákon termomechaniky, ale přímo. Proto jejich účinnost může být podstatně větší než u klasických elektráren na fosilní palivo. Zdrojem energie je nejčasněji vodík, který spolu s kyslíkem může exotermním procesem vyrábět elektrickou energii prostřednictvím elektrolytu nebo vodní páry. Praktičtějším palivem je zemní plyn, který musí být v konvertoru procesní jednotky nejdříve rozložen na vodík a oxidy uhlíku. Výsledný plyn obsahuje asi 80% vodíku. Součástí jednotky s palivovým článkem je invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu na proud střídavý. Pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny se jako nejreálnější pro komerční využití jeví: - články s kyselinou fosforečnou - PAFC (Phosforic Acid Fuell Cell) - články z karbonátových tavenin - MCFC (Molten Carbonate Fuell Cell) - články s keramickými oxidy - COFC (Solid Oxide Fuell Cell) Schematicky znázorněná balená kogenerační jednotka s palivovými články na zemní plyn je v obr. 4.
Na výzkumu palivových článků pracuje řada předních firem. V energetice optimisté předpokládají, že by blokové teplárny s palivovými články ve výkonovém rozmezí do asi 10MW el byly konkurentem blokových tepláren se spalovacími motory a plynovými turbínami v perspektivě 20-30 let. Předností palivových článků je vysoká účinnost přeměny primární energie v teplo a elektřinu (až 80%) a radikální snížení emisí CO (méně jak 10 mg/m 3 ), NO x (méně jak 20 mg/m 3 ) a nespalných uhlovodíků (méně jak 20 mg/m 3 ). Použití palivových článků by mělo především význam pro decentralizovanou výrobu elektřiny a tepla. Současně nejnižší cena uváděná pro typ PAFC je 3000,- USD/kW e. Její snížení závisí především na hromadném nasazení - to je však zatím v ČR ještě vzdálené od reality. 6. Závěr Dominantním způsobem výroby elektrické energie v dalších minimálně 50 letech budou neobnovitelné zdroje - klasické, založené na spalování fosilních paliv a jaderné zdroje založené na štěpení uranu. Základní typy těchto zdrojů jsou uvedeny v příspěvku. Postupně lze očekávat nárůst dalších úsporných technologií, mikroturbín, palivových článků, využívání různých alternativních a odpadních paliv, event. jiných technologií. O jejich větším prosazení však budou rozhodovat měrné ceny užitných energií. Ani v ekonomicky rozvinutých zemích se jejich další rozvoj neobejde bez finanční podpory státu nebo energetických a strojírenských společností, ať už má tato podpora v různých státech různé formy.
Literatura [1] Energetická politika ČR, usnesení vlády ČR č. 50 z r. 2000. [2] Ochrana L., Krbek J., Polesný B: Moderní způsoby zásobování teplem, ČEA, 1999 [3] Kraftwerke 1999 - Vortrige VGB 1999, VGB - TB 102 [4] Ochrana L.: Nové směry ve vývoji kotlů, Kotle 2000, Brno, 2000 [5] Fiedler, J.: Vývojové trendy v oblasti plynových turbín, Energetika 6/97, 1997