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.
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 2 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 3 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 4 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 5 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 6 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 7 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 8 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 9 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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.
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 10 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 11 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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).
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 12 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 13 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 14 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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).
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 15 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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).
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 16 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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.
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 17 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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 =
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: 18 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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 %)