Prof. Dr hab. inż. Stanisław Drobniak

Instytut Maszyn Cieplnych

EERGETYKA I EKOLOGIA:

Część III

Skojarzone wytwarzanie energii

Instytut Maszyn Cieplnych

Politechnika Częstochowska

http://imc.pcz.czest.pl

e-mail:

[e-mail]

ZAWARTOŚĆ CZĘŚCI III

•

Scentralizowana produkcja energii elektrycznej

•

Kogeneracja – skala makro

•

Kogeneracja – skala mini

•

Kogeneracja – skala mikro

•

Kogeneracja – skala mikro

•

Rozproszona kogeneracja energii

•

Podsumowanie

Trzy możliwe sposoby minimalizacji emisji CO

2

:

EFEKT CIEPLARIAY

JAK UIKĄĆ EFEKTU CIEPLARIAEGO ?

• pochłanianie i składowanie CO

2

• stosowanie bardziej sprawnych technologii produkcji energii

• stosowanie technologii bezemisyjnych (lub niskoemisyjnych)

CMI – CARBO MITIGATIO

IITIATIVE

Jaki jest najlepszy i najtańszy sposób ograniczania emisji CO

2

?

Zmniejszenie ilości spalanych paliw

węglowodorowych – każdy kilogram nie spalonego

węgla to unikniecie emisji

węgla to unikniecie emisji

3 kilogramów CO

2

Jak zmniejszyć ilość spalanego paliwa:

-zwiększyć sprawność technologii

przetwarzania paliw węglowodorowych

Charakterystyka współczesnych

technologii wytwarzania energii

Scentralizowane wytwarzanie energii

Scentralizowane wytwarzanie energii – przykład: Polska

Wytwarzanie w pobliżu źródeł paliwa i wzdłuż rzek (z wyjątkiem elektrowni

służących do regulacji sieci – np. OST) – moc zainstalowana 35 400 MW

elektrownie cieplne – wyjście 400 kV

elektrownie cieplne – wyjście 220 kV

elektrownie parowe

energia

w

30 – 40 (47)%

27 – 35 (41.5)%

Scentralizowane wytwarzanie energii – sprawność

typowych rozwiązań

elektrownie gazowe

energia

w

w

paliwie

= 100%

energia

elektryczna

energia tracona

(niskie parametry)

60 – 70%

63.5 – 73%

w

paliwie

= 100%

energia tracona

(wysokie parametry)

Scentralizowane wytwarzanie energii – sprawność

typowych rozwiązań – elektrownie parowe

Moc elektryczna 6 × 360 MW = 2160 MW + 1000 MW moc cieplna

Sprawność projektowa – 40 % (elektryczna) – typowa

elektrownie parowo-gazowe

energia

w

energia

elektryczna, w

90 % użyteczna

< 60%

< 47 %

Scentralizowane wytwarzanie energii – podsumowanie cz.2

elektrownie parowe

energia

w

w

paliwie

= 100%

energia tracona

> 40%

> 53%

w

paliwie

= 100%

energia tracona

emisja z niepotrzebnie zużywanego paliwa

2

CO

energia

elektryczna,

(10 % strata

przesyłowa)

Charakterystyka współczesnych

technologii wytwarzania energii

Skojarzone wytwarzanie energii

flue gas

Scentralizowane wytwarzanie energii

filtr powietrza

generator

spaliny

tłumik
hałasu

turbina

tłumik
hałasu

kocioł

przepustnice

turbina
gazowa

kocioł

odzysknicowy

palnik

dodatkowy

przykładowa siłownia z turbiną gazową (Solar Turbines Inc.)

sprawność projektowa 32.5%, moc 10.7 MW

Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja

flue gas

kocioł

odzysknicowy

tłumik
hałasu

tłumik
hałasu

filtr powietrza

generator

turbina
gazowa

spaliny

temperatura:

488 [

0

C]

moc cieplna

strumienia spalin:

≈ 20 MW

możliwość

wytwarzania
i przegrzewu

pary dla

turbiny

parowej

oraz

wytwarzania

ciepła

Kocioł odzysknicowy–ang. HRSG (Heat Recovery Steam Generator)

Turbina gazowa i kocioł odzysknicowy (Solar Turbines IC.)

palnik

dodatkowy

przepustnice

≈ 20 MW

Turbina gazowa z kotłem odzysknicowym

energia

elektryczna

27 – 35%

produkty

użyteczne

Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja

energia

w

paliwie

Zmniejszenie ilości ciepła traconego z (65-73%) dla prostej

generacji do (10-28%) dla kogeneracji

∼

∼

∼

∼

45%

ciepło

użyteczne

paliwie

= 100%

Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja

PALIWO

ELEKTROWIA

KOTŁOWIA

EERGIA ELEKTRYCZA

CIEPŁO

zapotrzebowanie

na elektryczność

i ciepło

potrzebna ilość paliwa

PALIWO

STRATA EERGII

STRATA EERGII

CIEPŁO

EERGIA ELEKTRYCZA

KOGEERACJA

Wykorzystanie paliwa w siłowni

scentralizowanej i kogeneracyjnej

Skojarzone wytwarzanie energii - kogeneracja

PALIWO

ELEKTROWIA

KOTŁOWIA

EERGIA ELEKTRYCZA

CIEPŁO

24

40%

60

ε

=

=

34

85%

40

ε

=

=

Wykorzystanie paliwa rośnie z 58 % do 85 %

PALIWO

STRATA EERGII

STRATA EERGII

CIEPŁO

EERGIA ELEKTRYCZA

KOGEERACJA

Zamiast zaśmiecać środowisko 42 jednostkami

energii wyrzucamy tylko 10 jednostek

24

35%

68

ε

=

=

42

strata

42%

100

=

=

10

strata

15%

68

=

≈

Zamiast 100 jednostek energii pierwotnej

zużywamy jedynie 68 jednostek

(mimo niższej sprawności elektrycznej

i cieplnej)

Kogeneracja – skala makro (duża)

Stadtwerke München (SWM) – kogeneracja od r. 1908

- sieć cieplna – 548 km
- moc cieplna – 2566 MW

t

- roczna produkcja ciepła ~ 4000 GWh

Kogeneracja – skala makro (duża)

Siłownia kogeneracyjna (CHP) Monachium Południe ( X. 2004)

- moc elektryczna – 417 MW

e

- moc cieplna – 463 MW

t

- łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) – 87,6%

Kogeneracja – skala makro (duża)

Układ gazowo – parowy – ang. CGSC (Combined Gas Steam Cycle)

Scentralizowane wytwarzanie energii – sprawność

maksymalna – elektrownie gazowo – parowe (Baglan Bay)

spaliny z turbiny gazowej

do kotła odzysknicowego

(HRSG)

układ jednowałowy: turbina gazowa – turbina parowa - generator

para

woda zas.

paliwo
powietrze

woda c.o.

wykorzystanie paliwa ≈ 87.6 %

Kogeneracja – skala mini (średnia)

kocioł odzysknicowy

sieć c.o. i c.w.u. szpitala

spaliny

Szpital St. Catherines ( Ontario, Kanada)

- moc elektryczna – 2.5 MW

e

- moc cieplna– 1.5MW

t

- łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) – 84%

woda chłodząca

Kogeneracja – skala mini (średnia)

-

silnik RR Bergen B, spr.
elektr. ~ 44 %, moc 5.1
MW, spaliny z silnika 430
[

0

C], sp. do komina 62 [

0

C],

Ox <25ppmv, łączna
sprawność ≈ 90 %

-

instalacja w Törring
(orwegia), 9 tys.

(orwegia), 9 tys.
mieszkańców, zbiornik
ciepła 64 MWh

-

praca od 7 do 21 w dni
powszednie, w weekendy
silnik wyłączony od piątku
wieczór do poniedziałku
rano

Kogeneracja – skala mini (średnia)

energia w

paliwie

100 %

energia

energia

elektryczna

cieplna

Kogeneracja – skala mini (średnia)

Oresundkraft ( Szwecja)

- moc elektryczna – 4.4 MW

e

- wydajność cieplna – 10 ton pary / godz.
- łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) – 80%

Kogeneracja – skala mini (średnia)

powietrze

woda zasilająca

temperatura

otoczenia

kocioł

odzysknicowy

≈

para

nasycona

spaliny

sprężarka gazu

biogaz

turbina

gazowa

Volvo VT4400DLE

energia

elektryczna

Oresundkraft ( Szwecja)

- moc elektryczna – 4.4 MW

e

- wydajność cieplna – 10 ton pary / godz.
- łączna sprawność (wykorzystanie paliwa) 80%

≈

≈

wejście

wyjście

Kogeneracja – skala mini (średnia)

hala sportowa – Brno (Czechy) – mikroturbiny gazowe

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

Mikroturbina Turbec AB T100

produkowana w Szwecji:

-moc elektryczna 100 kW
-sprawność elektryczna netto 30 %

(z regeneracją)

-stopień wykorzystania paliwa 80 %

z regeneracją

-temperatura spalin przed turbiną-

950 [

0

C]

temperatura spalin za turbiną- 650 [

0

C]

-temperatura spalin za turbiną- 650 [

0

C]

-temperatura spalin za regeneratorem –

- 270 [

0

C]

- strumień masy 0.80 [kg/s]
-prędkość obrotowa ~ 4000 [obr/min]
- hałas 70 dB – 1 m
- emisja o

x

< 15 ppmv

- jednowałowa, łożyska toczne

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

Mikroturbina Capstone C30

(C60)

oferowana w USA:

-moc elektryczna 30 kW ;

60 kW

-sprawność elektryczna netto14 % (bez

regeneracji), 26 % (

28 %)

(z regeneracją-

wzrost kosztu jednostki o

25 - 35 %)

-stopień wykorzystania paliwa 70 %

(78.4 %)

z regeneracją

-temperatura spalin przed turbiną-

950 [

0

C]

950 [

0

C]

-temperatura spalin za turbiną- 520 [

0

C]

-temperatura spalin za regeneratorem –

- 275

( 305)

[

0

C]

- strumień masy 0.31

(0.49)

[kg/s]

-prędkość obrotowa ~ 6000 [obr/min]
- hałas 65

(70)

dB – 10 m

- emisja o

x

< 9 ppmv

- jednowałowa, łożyskowanie powietrzne

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

Generator VectorCogen
oferowany w USA:

-moc elektryczna 2 – 10 kW

do zastosowań domowych

-moc elektr. 15 kW – 2 MW

-moc elektr. 15 kW – 2 MW

do zastosowań przemysłowych

-sprawność elektryczna >30 %

- sprawność całkowita:

> 70 % dla małych jednostek,
> 80 % dla dużych jednostek

- 1,1 kWe moc elektryczna

- 15kW

t

moc cieplna

- hałas na poziomie domowej

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

Generator Whispergen testowany
w W. Brytanii:

lodówki

- zwrot inwestycji po 5 latach

(przy dzisiejszych cenach
energii)

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

wymiennik ciepła

wymiennik ciepła

dodatkowy palnik

spaliny

przepływ

spalin

Wentylator nawiewny

powietrze

silnik Stirlinga

i alternator

Kogeneracja – skala mikro – silnik Stirlinga

ajnowsza wersja
generatora Whispergen :

- 1,1 kWe moc

elektryczna

- 15kW

t

moc cieplna

- hałas na poziomie

domowej lodówki

domowej lodówki

- zwrot inwestycji po

5 latach przy

dzisiejszych cenach

energii

(ale wyliczenia

zniekształcone przez
dofinansowanie prac
nad prototypem)

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

gaz ziemny

odbiorniki

woda bieżąca

instalacja c.o.

sieć elektryczna

ciepła woda użytkowa

grzejnik c.o.

dwudrogowy miernik energii
elektrycznej

zasobnik ciepłej wody

sieć elektr.

Whispergen pokrywa 85% zapotrzebowania na energię elektryczną

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

gaz ziemny

odbiorniki

woda bieżąca

instalacja c.o.

sieć elektryczna

ciepła woda użytkowa

grzejnik c.o.

dwudrogowy miernik energii
elektrycznej

zasobnik ciepłej wody

sieć elektr.

Whispergen pokrywa 100 % zapotrzebowania na energię cieplną

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

energia

pierwotna

straty

przemian energii

straty

przesyłu energii

energia dostępna dla końcowego użytkownika

gaz

węgiel

olej op.

Scentralizowane wytwarzanie energii

energia pierwotna

energia dostępna dla końcowego użytkownika

gaz

olej op.

kogeneracja – skala mikro

Kogeneracja – skala mikro (najmniejsza)

• czy te wyliczenia są wiarygodne ?

• technologia prototypowa, instalowane są jednostki demonstracyjne

• silnik Stirlinga ma niską sprawność cieplną (20 – 30 %)

• spróbujmy oszacować opłacalność ekonomiczną mikrokogeneracji

• spróbujmy oszacować opłacalność ekonomiczną mikrokogeneracji

na przykładzie istniejącego, tradycyjnego rozwiązania w którym wszystkie koszty
mogą być w wiarygodny sposób wyliczone

• dodatkową zaletą takiej analizy jest eliminacja wszystkich ukrytych kosztów

(finansowanie badań, budowa prototypu, finansowanie akcji demonstracyjnej –

- tu wszędzie ukryte są dotacje i subsydia)

Kogeneracja – podsumowanie

u

d

zi

a

ł

en

er

g

ii

e

le

k

tr

y

cz

n

ej

p

ro

d

u

k

o

w

a

n

ej

w

s

k

o

ja

rz

en

iu

u

d

zi

a

ł

en

er

g

ii

e

le

k

tr

y

cz

n

ej

p

ro

d

u

k

o

w

a

n

ej

w

s

k

o

ja

rz

en

iu

Kogeneracja – podsumowanie

u

d

zi

a

ł

en

er

g

ii

e

le

k

tr

y

cz

n

ej

p

ro

d

u

k

o

w

a

n

ej

w

s

k

o

ja

rz

en

iu

• Polska w środku stawki krajów europejskich
• niski udział kogeneracji w krajach z rozwiniętą energetyką jądrową
• niski udział kogeneracji w krajach z rozwiniętą energetyką odnawialną
• Dania jest wyjątkiem, dlaczego ?

u

d

zi

a

ł

en

er

g

ii

e

le

k

tr

y

cz

n

ej

p

ro

d

u

k

o

w

a

n

ej

w

s

k

o

ja

rz

en

iu

Kogeneracja – podsumowanie

• kogeneracja daje mozliwość osiągnięcia wysokiej sprawności , bo współczynnik

wykorzystania paliwa jest znacznie wyższy niż w scentralizowanej energetyce

• w kogeneracji uzyskuje się wysokie wykorzystanie paliwa przy stosowaniu stosunkowo

prostych technologii (patrz przykład Monachium Sud) co oznacza, że nasze potrzeby
na energię możemy zaspokoić przy niższych nakładach na nowe inwestycje

• dzięki kogeneracji zużywamy mniej paliw pierwotnych i mniej obciążamy środowisko

• bez zachęt podatkowych opłacalność ekonomiczna kogeneracji nie jest taka, jak

wynika to ze sprawności procesów przetwarzania energii

wynika to ze sprawności procesów przetwarzania energii

• sprawność cieplna nie jest wystarczającym kryterium sukcesu ekonomicznego bo

zakłócenie struktury kosztów w przypadku tak złożonego systemu jak system
energetyczny jest nieuniknione (ukryte subsydia) a system podatkowy wypacza
reguły wynikające z praw fizyki (akcyza na paliwa, ukrywanie kosztów

środowiskowych lub przerzucanie ich na całe społeczeństwo)

•

mimo wszystko kogeneracja jest koniecznością, Polska jest w Europie „średniakiem”,

co to może oznaczać ? albo jest dobrze – nic nie robimy, albo musimy gonić inne kraje-
co jest odpowiedzią poprawną ???

Kogeneracja rozproszona – przykład zastosowania - Dania

elektrownie – scentralizowane wytwarzanie energii elektrycznej

Kogeneracja rozproszona – przykład zastosowania - Dania

elektrownie

elektrownie z kogeneracją

elektr. wiatrowe

Kogeneracja rozproszona – przykład zastosowania - Dania

Wytwarzanie energii elektrycznej
w miejscu gdzie jest potrzebna
(redukcja strat przesyłu)

elektrownie

elektrownie z kogeneracją

elektr. wiatrowe

Jak poprawić sprawność obiegu i zredukować

ilość niepotrzebnie emitowanego CO

2

?

skojarzona produkcja elektryczności i ciepła czyli

kogeneracja – ang. CHP (Combined Heat and Power)

trójgeneracja (elektryczność, ciepło, chłód)

kogeneracja rozproszona – to maksymalne możliwe

wykorzystanie kogeneracji i trójgeneracji – od skali
makro przez mini do mikro – uzupełnione
pozyskiwaniem energii ze źródeł odnawialnych co
zapewnia maksymalną redukcję emisji

CO

2

WIOSKI

część I wykładu wskazuje, że musimy

zwiększać zużycie energii (Polska przynajmniej
dwukrotnie)

Część II wykładu wskazuje, że nie możemy

Część II wykładu wskazuje, że nie możemy

zwiększać zużycia energii stosując tradycyjne
technologie energetyczne

Część III wykładu wskazuje, że stosowanie

różnych technologii kogeneracji jest
koniecznością