Kogeneracijski Energetski Sustavi

ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 1 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

KOGENERACIJSKI ENERGETSKI SUSTAVI Kogeneracija

suproizvodnja električne i toplinske energije s ciljem da se smanje gubici topline koji se kod odvojene proizvodnje nepovratno gube u okolinu.

Uvjet (ograničenje)

trebaju biti osigurana trošila električne i toplinske energije.

Tipovi kogeneracijskih sustava : • Kogeneracijski sustav s parnom turbinom - protutlačnom - kondenzacijskom s oduzimanjima • Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom - bez dodatna loženja - s dodatnim loženjem • Kogeneracijski sustav s motorom s unutrašnjim izgaranjem - bez dodatna loženja - sa dodatnim loženjem • Integrirani kogeneracijski sustav • Kogeneracijski sustav s gorivim ćelijama • Kogeneracijski sustav s magnetohidrodinamskim (MHD) generatorom.


Parni kogeneracijski sustav s protutlačnom turbinom Generator pare

Parni turbogenerator

Potrošači topline

Parni kogeneracijski sustav s kondenzacijskom turbinom uz oduzimanje pare Generator pare

Parni turbogenerator

Potrošači topline

Kondenzator


Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom bez dodatna loženja

Plinski turbogenerator

Utilizator

Potrošači Potroša čitopline topline

Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom uz dodatno loženje Plinski turbogenerator Dodatno loženje

Utilizator

Potrošači topline


Kombinirani kogeneracijski sustav s plinskom i parnom turbinom te dodatnim loženjem u struji dimnih plinova Plinski turbogenerator

Dodatno loženje Parni turbogenerator

Utilizator Potrošači topline

Kogeneracijski sustav s dizelskim motorom uz dodatno loženje u struji dimnih plinova Dizelski generator Dodatno loženje

Utilizator

Potrošači topline

P.P.

ISP.

Z. V.

niskotlačna

Shema industrijskoga kogeneracijskog sustava s plinskom turbinom



Shema utilizacijskoga sustava s dodatnim loženjem PARA U PROCES

DIMNI PLINOVI PROCES NAPOJNA VODA

PARNI BUBANJ

ZAGRIJAČ VODE BUBANJ

ISPARIVAČ 2 BUBANJ

ISPARIVAČ 1 BUBANJ CIRKULACIJSKE PUMPE

PREGRIJAČ PARE BUBANJ

GORIVO ZA DODATNO IZGARANJE

ISPUŠNI DIMNI PLINOVI IZ PLINSKE TURBINE


ispušna para

N.T. para u tehnološki proces

S.T. para u u tehnološki proces

V.T. para u tehnološki proces

El. energija u tehnološki proces

vanjska mreža

Integrirani kogeneracijski sustav u procesnoj industriji


Princip energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim generatorom (MHD) električna struja

protok ionizirana plina

električno polje

Shema energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim generatorom (MHD) materijal za pospješivanje ionizacije

predgrijač zraka

zrak

električna energija

rekuperacija materijala za pospješivanje ionizacije dimnih plinova


Osnovni principi rada sustava s MHD generatorom

Direktna pretvorba toplinske energije plina u električnu djelovanjem magnetskoga polja na strujni tok ionizirana plina (plazme) pod visokim temperaturama (2500-3000 0C); Teoretski je proces sličan Joule/Brayton-ovom procesu u plinskoj turbini. Stlačeni ionizirani plin (plazma) adijabatski ekspandira kroz MHD kanal (difuzor) gdje se usporava djelovanjem elektromagnetske sile (kod plinske turbine se unutar lopatica kinetička energija plina pretvara u mehaničku); Iskoristivost procesa proizvodnje el. energije je oko 50 %; Zbog visoke izlazne temperature plinova potrebna je rekuperacija toplinske energije (kogeneracija ili kombinirani proces s parnim ciklusom), čime se dodatno povećava ukupna energetska iskoristivost;

Tehnički problemi MHD generatora Vrlo visoke radne temperature, te uslijed toga problem tehničko/komercijalne izvedivosti; MHD generator proizvodi istosmjernu struju pa je potreban pretvarač (invertor), što povećava složenost i troškove; Za postizanje visokih temperatura izgaranja potreban je kisik ili zrak obogaćen s kisikom; potreban je sustav za proizvodnju kisika; Potrebno je koristiti materijal za pospješivanje ionizacije plina (soli cezija ili natrija) što povećava pogonske troškove; Potrebno je magnetsko polje vrlo visoke gustoće koje ima velike gubitke s konvencionalnom izvedbom magneta. Rješenje je u razvoju super-provodljiva magneta pri visokim temperaturama, što je tehnički problem još u fazi razvoja; Zbog navedenih problema, ovaj energetski sustav je još u fazi razvoja i nije u komercijalnoj primjeni.


KOGENERACIJSKI SUSTAV S GORIVIM ĆELIJAMA Gorive ćelije transformacija kemijske energije goriva (plina) uz oksidacijsko sredstvo u električnu i toplinsku energiju elektrokemijskom reakcijom bez klasičnoga izgaranja. Energetski sustav s gorivim ćelijama se u principu sastoji od: • sustava za dobivanja vodika iz prirodnoga plina pomoću vodene pare i topline, što se odvija prema jednadžbi CH4 + 2H2O + toplina → CO2 + 4H2 • sklopa odgovarajućeg broja gorivih ćelija • ureñaja za pretvaranje istosmjerne u izmjeničnu struju (inverter) • sustava za rekuperaciju toplinske energije (proizvodnju tople vode i vodene pare). 2e-

el. trošilo

H2O 2e-

2eH2O

+

zrak

-

H +OH

gorivo

H20+1/2O2 -

1/2O2

OH

OH-

H2

H++OH-

OH-

OH-

H2O ANODA TOPLINA

ELEKTROLIT (LUŽINA)

KATODA


Podjela gorivih ćelija prema radnoj temperaturi i vrsti elektrolita: niskotemperaturne (oko 200 0C); srednjotemperaturne (500-700 0C); visokotemperaturne (oko 1000 0C). Vrste elektrolita za gorive ćelije: VRSTA ELEKTROLITA Kruti polimer Lužina Fosforna kiselina Tekući karbonat Kruti oksid

RADNA TEMP. (0C) 80 100 200 650 1000

Prednosti gorivih ćelija: vrlo visoka iskoristivost energije goriva; 40% na električnome dijelu, 25-45% na toplinskome dijelu, ukupno 65-85%; nema pokretnih (rotirajućih) dijelova; zanemarivo onečišćenje okoliša; zanemariva buka. Nedostaci gorivih ćelija: visoka cijena po jedinici instalirane snage; tehnička izvedivost za relativno male snage (do 500 kW); tehničko-tehnološka neusavršenost (još u fazi razvoja).


Principijelna shema kogeneracijskoga sustava s gorivim ćelijama

Visokotemperaturna izmjena topline

(ist./izmj.)

Parni apsorpcijski rashladni ureñaj/grijač

Zrak

Niskotemperaturna izmjena topline

Proizvodnja vodika

Gorive ćelije

Inverter

Električna mreža

Topla voda

Ulaz prirodna plina


TEHNO-EKONOMSKA ANALIZA I USPOREDBA KOGENERACIJSKIH SUSTAVA

Kogeneracijski sustavi proizvode istovremeno električnu i toplinsku energiju u različitim omjerima te ih se stoga ne može jednoznačno meñusobno usporediti . Kvaliteta električne i toplinske energije bitno se razlikuje, odnosno:

Eksergija el. en. ≠ Eksergijatopl. en. Tehnički pokazatelji, odnosno karakteristične veličine za analizu i usporedbu različitih kogeneracijskih sustava jesu: 1. Iskoristivost proizvodnje električne energije 2. Ukupna energetska iskoristivost 3. Ukupna eksergetska iskoristivost 4. Udjel pretvorbe toplinske energije 5. Faktor pretvorbe toplinske energije 6. Faktor vrijednosti proizvedene energije 7. Udjel uštede goriva


1) Iskoristivost proizvodnje električne energije

η = T

EE EG

gdje je: EE - proizvedena električna energija EG - utrošena energija goriva Napomena: uzima se u obzir samo proizvedena električna energija, odnosno ne vrjednuje se toplinska energija koja se istovremeno proizvodi. Stoga, usporedba prema ovom kriteriju ne daje realne pokazatelje.

2) Ukupna energetska iskoristivost

EE (1+ ηE =

iskorištena utrošena

=

EE + ET EG

=

1 ) ψ

EG

gdje je: ET – proizvedena (iskorištena) toplinska energija EE ψ= ET Napomena: izjednačuje se vrijednost (kvaliteta) dviju različitih oblika energije (toplinske i električne).


3) Ukupna eksergetska iskoristivost

η = eks

e +e e E

T

G

gdje je: eE - eksergija električne energije eT - eksergija toplinske energije eG- eksergija goriva eE = EE eG ≅ EG ( na bazi gornje toplinske vrijednosti) T eT= (1 − ) ET T 0

EE + ηeks =

T − TO 1 T − TO ) ET EE ( 1 + ψ T T = EG EG

ηeks = ηT ( 1+

T −T0 1 ) T ψ

Napomena: Usporedbom prema ovom pokazatelju uzima se o obzir i vrjednuje kvaliteta (eksergija) oba oblika proizvedene energije (električne i toplinske) kao i omjer njihove proizvodnje (ψ).


4) Udjel pretvorbe toplinske energije goriva

EE

εT =

EG −

ET ηGP

=

ηT η η ψ = T GP ET ηGP ψ − ηT 1− ηGP EG

gdje je: ET - ekvivalentno smanjenje potrošnje goriva u ηGP kogeneracijskome sustavu u usporedbi sa sustavom za odvojenu proizvodnju toplinske i električne energije; ηGP – iskoristivost generatora pare. Napomena: uzima se u obzir ušteda goriva za proizvodnju električne energije u kogeneracijskom sustavom u odnosu na odvojenu proizvodnju električne energije (u termoelektrani).

5) Faktor pretvorbe toplinske energije goriva

EG − FT =

ET ηGP

EE

=

1 1 1 − = ηT ψηGP εT

Napomena: predstavlja udjel utroška energije goriva pa jedinici proizvedene električne energije u kogeneracijskome sustavu.


6) Faktor vrijednosti proizvedene energije

FCE =

C E E E + CT ET C G EG

gdje je: CE – jedinična cijena električne energije CT – jedinična cijena toplinske energije CG – jedinična cijena energije goriva Napomena: u razmatranje se uvode ekonomske veličine, odnosno tržišne vrijednosti utrošene i proizvedene energije. 7) Udjel uštede goriva Ekvivalentna ušteda goriva u kogeneracijskome sustavu u odnosu na odvojenu proizvodnju električne i toplinske energije može se izraziti kao: E EE ∆EG = T + − EG ηGP ηT ,odv Udjel uštede goriva u odnosu na odvojenu proizvodnju je: ∆EG EG 1 =1− =1− ET EE ET EE 1 1 ) + + ηT ( + ηGP ηT ,odv ηGP ηT ,odv ηGP ψ ηT ,odv gdje je: ηT,odv – iskoristivost proizvodnje električne energije u odvojenom sustavu (u termoelektrani). εG =


gorivo 100

gubici

el.en.

el.en. 35

35

toplina 50

toplina 50

η=40 %

KOGENERACIJA η=85 %

gubici

52,5

TOPLANA η=90 %

15

TERMOELEKTRANA

USPOREDBA KOGENERACIJSKOGA SUSTAVA S ODVOJENOM PROIZVODNJOM ELEKTRIČNE I TOPLINSKE ENERGIJE

gorivo 87,5

gorivo 55,5

gubici 5,5

Razlika potrošnje goriva = (87,5 +55,5)-100 = 43 % (87,5 + 55,5) − 100 Relativna ušteda goriva= 100 = 30% 87,5 + 55,5 Gubici kogeneracije= 15 (15 %) Gubici odvojene proizvodnje = 58 (40,5 %)

Kogeneracijski Energetski Sustavi

Recommend Documents