View
21
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
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
Parni kogeneracijski sustav s kondenzacijskom
turbinom uz oduzimanje pare
Potrošači topline
Generator pare
Parni turbogenerator
Kondenzator
Potrošači topline
Parni turbogenerator
Generator pare
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom
bez dodatna loženja
Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom
uz dodatno loženje
Potrošači topline
Potrošači topline
Potrošači topline
Utilizator
Plinski turbogenerator
Utilizator
Dodatno loženje
Plinski turbogenerator
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
Kogeneracijski sustav s dizelskim motorom
uz dodatno loženje u struji dimnih plinova
Potrošači topline
Dizelski generator
Potrošači topline
Plinski turbogenerator
Dodatno loženje
Utilizator
Parni turbogenerator
Dodatno loženje
Utilizator
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
nis
kotl
ačn
a
Z. V
.
P.P.
IS
P.
Sh
ema
in
du
stri
jsk
og
a k
og
ener
aci
jsko
g s
ust
ava
s p
lin
sko
m t
urb
ino
m
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
Shema utilizacijskoga sustava s dodatnim loženjem
PARNI BUBANJ
ZAGRIJAČ VODE
BUBANJ
ISPARIVAČ 2
BUBANJ
ISPARIVAČ 1
BUBANJ
PREGRIJAČ PARE
BUBANJ
CIRKULACIJSKE PUMPE
PARA U PROCES
DIMNI PLINOVI PROCES
GORIVO ZA DODATNO IZGARANJE
ISPUŠNI DIMNI PLINOVI IZ PLINSKE TURBINE
NAPOJNA VODA
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
Integrirani kogeneracijski sustav u procesnoj industriji
El.
ener
gij
a u
te
hn
olo
ški p
roc
es
V.T
. pa
ra u
t
ehn
olo
ški p
roce
s S.T
. pa
ra u
u
teh
no
lošk
i p
roce
s
N.T
. par
a u
te
hn
olo
ški
pro
ces
isp
ušn
a p
ara
van
jsk
a m
reža
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
Princip energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim
generatorom (MHD)
Shema energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim
generatorom (MHD)
električna struja
protok ionizirana plina
električno polje
materijal za pospješivanje ionizacije
predgrijač zraka
električna
energija
rekuperacija materijala za pospješivanje ionizacije dimnih plinova
zrak
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).
ELEKTROLIT (LUŽINA)
H++OH-
H++OH-
H2O
H2O
2e-
el. trošilo 2e-
gorivo
H2
ANODA KATODA
H20+1/2O2
OH-
OH-
2e-
zrak
1/2O2 OH-
OH-
H2O
TOPLINA
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
RADNA TEMP. (0C)
Kruti polimer 80 Lužina 100 Fosforna kiselina 200 Tekući karbonat 650 Kruti oksid 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
Inve
rter
(i
st./i
zmj.
)
Gor
ive
ćeli
je
Pro
izvo
dn
ja v
odik
a
Nis
kote
mp
erat
urn
a
izm
jena
top
lin
e
Vis
okot
emp
erat
urn
a
izm
jena
top
lin
e
Električna
mreža
Parni apsorpcijski rashladni ureñaj/grijač
Zrak
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
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
G
)(E
G
TEE
E
E
EEE
utrošenaaiskorišten ψ
+
η =+
==
11
gdje je: ET – proizvedena (iskorištena) toplinska energija
T
E
E
E=ψ
Napomena: izjednačuje se vrijednost (kvaliteta) dviju različitih oblika
energije (toplinske i električne).
G
E
E
ET =η
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
3) Ukupna eksergetska iskoristivost
gdje je: eE - eksergija električne energije eT - eksergija toplinske energije eG- eksergija goriva eE = EE
eG ≅≅≅≅ EG ( na bazi gornje toplinske vrijednosti)
eT= TET
T)1(0
−
G
E
G
TE
E
)T
TT(E
E
ET
TTE
OO
eksψ
−+
=
−+
=η
11
)T
TT(Teks
ψ
−+η=η
11
0
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).
G
TE
eks
e
ee +=η
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
4) Udjel pretvorbe toplinske energije goriva
gdje je:
GP
TE
η - ekvivalentno smanjenje potrošnje goriva u
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
TGPTE
GP
TG
TE
EE
Fε
=ψη
−η
=η
−
=111
Napomena: predstavlja udjel utroška energije goriva pa jedinici
proizvedene električne energije u kogeneracijskome sustavu.
TGP
GPT
GGP
T
T
GP
TG
ET
E
EEE
E
η−ψη
ψηη=
η−
η=
η−
=ε
1
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17
6) Faktor vrijednosti proizvedene energije
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:
G
odv,T
E
GP
TG E
EEE −
η+
η=∆
Udjel uštede goriva u odnosu na odvojenu proizvodnju je:
)(EE
E
EE
E
odv,TGP
T
odv,T
E
GP
T
G
odv,T
E
GP
T
GG
η+
ψηη
−=
η+
η
−=
η+
η
∆=ε
11
111
gdje je: ηT,odv – iskoristivost proizvodnje električne energije u odvojenom sustavu (u termoelektrani).
GG
TTEECE
EC
ECECF
+=
ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5
Prof. dr. sc. Z. Prelec List:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
USPOREDBA KOGENERACIJSKOGA SUSTAVA S ODVOJENOM PROIZVODNJOM ELEKTRIČNE I
TOPLINSKE ENERGIJE
� Razlika potrošnje goriva = (87,5 +55,5)-100 = 43 %
� Relativna ušteda goriva= %301005,555,87
100)5,555,87(=
+
−+
� Gubici kogeneracije= 15 (15 %)
� Gubici odvojene proizvodnje = 58 (40,5 %)
K O
G E
N E
R A
C I
J A
ηη ηη
=85
%
TE
RM
OE
LE
KT
RA
NA
ηη ηη=
40 %
T
OP
LA
NA
ηη ηη
=90
% 100
87,5
55,5
el.en. 35
toplina 50
el.en. 35
toplina 50
gubici
15
gubici
52,5
gubici 5,5
gorivo
gorivo
gorivo
Recommended