View
5
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
NOWE TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII
ELEKTRYCZNEJ. DUŻE BLOKI CZY GENERACJA
ROZPROSZONA
Tadeusz Chmielniak
Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych
Politechnika Śląska
27 06 2017
IMP PAN Gdańsk
Technologie Energetyki Rozproszonej – niskoemisyjne siłownie domowe w
kontekście Pakietu Zimowego
1
ZAŁOŻENIA
• Pozostają stabilne założenia polityki energetycznej UE
(ustalenia klimatyczne, wymogi emisyjne, efektywność
energetyczna, rozwój energetyki źródeł odnawialnych)
• Podtrzymana będzie rola węgla w polskiej energetyce,
• W grze pozostaje energetyka jądrowa,
• Nastąpi racjonalny rozwój energetyki źródeł odnawialnych
w Polsce,
• Bez istotniejszych opóźnień kontynuowane będą
rozpoczęte inwestycje energetyczne dużych mocy.
2
3
Zapotrzebowanie brutto na moc JWCD [GW], wykres uporządkowany
Na podstawie: Maciej Przybylski : Zapotrzebowanie na moc i potrzeby regulacyjne KSE Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO
Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r.
●Optymistyczne prognozy zapotrzebowania na energię i moc –CAGR ok. 2%
●Rok klimatyczny 2015
●Brak wymiany transgranicznej
●Zdeterminowany scenariusz rozwoju poszczególnych rodzajów nJWCD, m.in. [MW]:
Symulacje –założenia 2020 2025 2030
Biomasa i Biogaz 1 100 1 400 1 900
Wiatr(ląd i morze) 7 100 8 700 11 500
PV 350 600 2 430
STAN OBECNY. Moc w systemie
4
Sytuacja w zakresie inwestycji wskazuje, że w lata dwudzieste wejdziemy z
następującymi blokami dużej mocy:
5(6) bloków na węgiel klasy 900 –1000 MW
3 bloki na węgiel klasy 500
4 –5 bloków na gaz klasy 500
Główne pytanie: W jakim kierunku potoczą się dalsze inwestycje?
- struktura paliwowa (węgiel, gaz, paliwa jądrowe, źródła
odnawialne)
- zróżnicowanie technologiczne ( w zakresie wytwarzania,
przesyłu, zarządzania popytem i inne)
Odpowiedź na pytanie byłaby prostsza gdyby rozwiązano zadanie dotyczące
optymalizacji miksu paliwowego. Zadanie trudne do rozwiązania.
Stan technologii Potencjalna możliwość
wykorzystania w procesie
inwestycyjnym
Wysoka dojrzałość
Technologiczna. Duży stopień
upowszechnienia
++
Wysoka dojrzałość
technologiczna. Niewielki
stopień upowszechnienia
+
Dobry stopień dojrzałości
technologicznej. Mały stopień
upowszechnienia
- - +
Instalacje demonstracyjne + -
Wysoki stopień analiz
systemowych. Sprawdzone
materiały. Brak instalacji
demonstracyjnych
- - +
Opracowane koncepcje
wychwytu. Instalacje
pilotowe separacji CO2. Brak
instalacji dem. dużych mocy
- - +
TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY
Należy rozpatrywać następujące
technologie produkcji elektryczności :
• Instalacje węglowe ze spalaniem
powietrznym (kotły pyłowe i
fluidalne) bez wychwytu dwutlenku
węgla
• Układy kombinowane węglowo –
gazowe, czy węglowo - biomasowe
• Układy gazowo – parowe
zintegrowane ze zgazowaniem węgla
W dalszej perspektywie
• Instalacje węglowe ze spalaniem
tlenowym
• Ultra-nadkrytyczne bloki z kotłami
pyłowymi (bloki 50+)
• Instalacje węglowe ze spalaniem
powietrznym (kotły pyłowe i
fluidalne) z wychwytem dwutlenku
węgla
5
Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i
fluidalne) bez wychwytu dwutlenku węgla
Jednostki nadkrytyczne klasy 500-1000 MW
6
Moc brutto 447,5 MW
Spełnia standardy emisyjne
BREF: (SO2 ≤75 mg/m3, NOx
≤85 mg/m3, Pył ≤5 mg/m3)
Sprawność netto 43,1%
Paliwo: węgiel brunatny
Parametry pary:
PŚ: 605°C / 28,6 MPa
PP: 615°C / 5,9 MPa
Moc brutto 910 MW
Sprawność netto 45.9%
Paliwo: węgiel kamienny
Parametry pary
PŚ: 600°C/27.5 MPa
PP: 610°C/5,8 MPa
Moc brutto 1075 MW
Sprawność netto 45.6%
Paliwo: węgiel kamienny
Parametry pary
PŚ: 603°C/25,0 MPa
PP: 621°C/5,5 MPa
Duoblok. Podstawowe parametry
techniczne
7
DUOBLOK+ 500
KOCIOŁ TURBINA
Parametry para / woda Para pierwotna "świeża"
bar(a) 285 275
C 600 596
t/h 680 1 360
Para wtórna z kotła -"gorąca szyna"
bar(a) 52.0 50.0
C 610 608.0
t/h 565 1 130
Temperatura wody zasilającej
C 300
Na podstawie: Łukasz Grela, Wojciech Zygmański, Marian Żmija:
DUOBLOK 500 jako rozwiązanie dla rekonstrukcji bloków 200 MW.
Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO. Niskoemisyjne
innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z
blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r.
Duobloki c.d.
8
Nowa planowana inwestycja to duoblok BoA
plus o sprawności 45 % (z podsuszaniem
węgla brunatnego)
Blok BoA plus ma być blokiem kogeneracyjnym, współspalającym biomasę i w
wersji CCS ready, z hybrydowymi chłodniami kominowymi dla ograniczenia
parowania do otoczenia
Na podstawie Prof. dr hab. inż. Maciej Pawlik : Priorytety inwestycyjne krajowego parku elektrowni
IV Konferencja Techniczna „Realizacja Bloków na Parametry Nadkrytyczne”24-25 listopada 2016
Kazimierz Dolny - Elektrownia Kozienice
WB(SW)
WB
WK
40
42
44
46
48
50
52
WK
WK, WB
2000-2010 od 2015 po 2020
Blok 50+
Spra
wno
ść [%
]
.
Opracowanie projektów koncepcyjnych
bloków nadkrytycznych (wyniki RAFAKO
S.A. w PS Zaawansowane technologie
pozyskiwania energii, zad.1))
Temperatura pary pierwotnej - 653°C
Temperatura pary wtórnej - 672°C
Ciśnienie pary pierwotnej - 303 bar
SCR - emisja NOx - 100 mg/mn3 przy CCS - 30 mg/mn3 IOS - emisja SO2 - 100 mg/mn3 przy CCS - 25 mg/mn3 Stężenie pyłu za elektrofiltrem - 30 mg/mn3 przy CCS - 10 mg/mn3 Stężenie pyłu za IOS - 10 mg/mn3 przy CCS - 5 mg/mn3 Stężenie CO <100 mg/mn3
NOWE PROPOZYCJE
Źródło Wyniki PBS-1
9
TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY.
Inne Struktury technologiczne
Zakres mocy:
Średnie i duże moce.
250 – 600(800,1000)MW
Szeregowe i równoległe układy kombinowane
węglowo - gazowe
Części węglowe bloków są konstruowane na parametry zarówno podkrytyczne (Werne 190 bar/ 535 °C / 535 °C)-układ szeregowy jak i na nadkrytyczne (Avedore: 300 bar/ 580 °C /600 °C -uklad równoległy
10
ENERGETYKA GAZOWA
Turbiny Gazowe Dużej Mocy
Źródła: 1.A.Maekawa, Evolution and Future Trend of Large Frame Gas Turbine for Power Generation, J. of Power and Energy Systems,
Vol.5 No2, 2011 ; 2. T.Chmielniak, Turbiny gazowe. Kierunki rozwoju, [w Strategie rozwojowe w zakresie Maszyn i Urządzeń
Energetycznych, Eds. T.Chmielniak, M. Strozik, Gliwice 2009]
UKŁADY GAZOWO-PAROWE
Stalowa Wola: 460 MW
Płock 596 MW
Włocławek: 460 MW
Gorzów 140 MW
Toruń: 100 MW
Puławy: 450 MW ?
Łagisza: 450 MW ?
GENERACJA ROZPROSZONA
~500OC
WC2
WC4
SILNIK
WC3
TS
WC1
GAZ
Powietrze
OC
F
S
Odprowadzenieścieków
Kolektor gazu
Odwierty z wstępnym układem filtracyjnym
Składowisko odpadów
TECHNOLOGIE
ENERGETYCZNE.
Biomasa
14
Różny stopień
dojrzałości do
wdrożenia
poszczególnych
technologii
TURBINY GAZOWE MAŁEJ MOCY
15
kj= 4263,3Nel-0,233
R² = 0,9656
kj = 5005,9Nel-0,233
R² = 0,9656
kj = 4444,7Nel-0,222
R² = 0,9106
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000
Cen
a je
dn
ost
ko
wa
, US
D/k
W
Moc turbin, kW
Poszczególne turbiny gazowe (od lewej) wg GT Handbook 20091-VPS1, 2-ST6L-813, 3-Saturn 20, 4-M1A-13D, 5-KG2-3E, 6-ST18A, 7-OGT2500, 8-UGT2500, 9-M1T-13D, 10-VPS3, 11-Centaur 40, 12-VPS4,13-501-KB5, 14-ST40, 15-GT40000SI, 16-GTES-4, 17-Centaur 50, 18-Mercury 50, 19-501-KB7S, 20-SGT-100, 21-M7A-01, 22-Taurus 60, 23-THM1203A, 24-GTES-6, 25-Taurus 65, 26-CX501 KH5, 27-UGT 6000, 28-501-KH5, 29-GT 6000, 30-M7A-02D, 31-SGT-200, 32-M7A-03D, 33-Taurus 70, 34-SGT-300, 35-UGT 8000, 36-THM1304-10, 37-Mars 100, 38-THM1304-11, 39-GE10-1, 40-THM1304-12, 41-GTES-12, 42-
THM1304-14, 43-SGT-400, 44-PGT16, 45-LM1600-PA, 46-MF-111, 47-Titan 130, 48-UGT 16000, 49-GTES-16, 50-UGT 15000, 51-SGT-500, 52-PGT20, 53-L20A, 54-LM2000PJ, 55-LM2000PS, 56-LM2500PJ, 57-LM25000PE, 58-SGT-600, 59-FT8 PowerPac, 60-GT25000, 61-UGT 25000, 62-PG5371(PA), 63-RB211-G62 DLE, 64-LM2500 PH STIG, 65-FT8-3 PowerPac, 66-SGT-700, 67-LM2500PK, 68-RB211-GT62 DLE, 69-LM2500PR, 70-MF-221, 71-LM2500PR, 72-FT8-3 PowerPac, 73-LM2500PK, 74-H-25, 75-RB211-GT61 DLE, 76-LM2500+RD, 77-LM2500+RC, 78-PG6581(B)
Gas Turbine World 2009
GTW Handdbook
Gas Turbine World 2009
GTW Handdbook - CEPCI
Literatura - CEPCI
Układy autonomiczne-
obciążenia szczytowe
Układy gazowo- parowe
malej mocy
Układy kombinowane
małej i średniej mocy
Układy ze spalaniem
zewnętrznym biomasy
Układy zintegrowane ze
zgazowaniem biomasy
Układy elektrociepłowni z
regeneracją
Układy gazowo-
powietrzne
Racjonalizacja energetyki przemysłowej
Modernizacji instalacji produkcji elektryczności i ciepła
Jednostki o zwiększonej elastyczności cieplnej
ENERGETYKA WODOROWA. Jej funkcje i
znaczenie
16
Na podstawie : Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA 2015
WIELOŚĆ FUNKCJI. STABILIZACJA SYSTEMU
17
EFEKTYWNOŚĆ. GENERACJA ROZPROSZONA
18
OGNIWA PALIWOWE
19
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2008 2009 2010 2011 2012 2013
Licz
ba
inst
alac
ji, t
ys.
Czas, rok
Inst. przenośne Transport Inst. stacjonarne Nie wykluczając w pewnych sytuacjach
wykorzystania turbin gazowych jako silników
do napędu generatorów elektryczności,
największe nadzieję wiąże się z ogniwami
paliwowymi zarówno do zastosowań
stacjonarnych jak i mobilnych. Współczesny
stan rozwoju technologicznego ogniw
paliwowych wskazuje zarówno na ich
zastosowanie do budowy stacjonarnych
instalacji generacji energii elektrycznej i ciepła
(głównie ogniw: PAFC, PEFC, MCFC i SOFC)
jak i zastosowanie w rozwiązaniach
napędowych (głównie osobowy i ciężarowy
transport samochodowy).
W drugim obszarze zastosowań dominują zastosowania w samochodach osobowych. Według
Departamentu Energii USA globalny rynek ogniw paliwowych wzrósł niemal czterokrotnie między 2008 a
2013 [2]. Tylko w 2013 przyrost zainstalowanej mocy ogniw paliwowych wynosił ponad 170 MW [1,2].
Obecnie, ponad 80% instalacji ogniw paliwowych to jednostki stacjonarne.
W pierwszym obszarze rozpatruje się zastosowanie ogniw do budowy instalacji generacji rozproszonej
(autonomiczne jednostki niskiej mocy w sieci niskich napięć, układy rezerwacji mocy, układy
kogeneracyjne w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej).
Na podstawie : 1. Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA 2015, 2. Fuel Cell Technologies Market Report, DOE 2014a
OGNIWA PALIWOWE c.d.
20
.
Należy w tym miejscu wskazać na
istotną rolę w upowszechnianiu
technologii ogniw paliwowych w
energetyce japońskiego programu
Ene Farm rozwoju instalacji
mikrokogeneracyjnych z ogniwami
polimerowymi i tlenkowymi o mocy
elektrycznej 0.7-1 kW. Program
rozpoczęto w 2009 r. Od chwili
uruchomienia programu sprzedano
ponad 120 000 (2014) jednostek.
Program przewiduje wprowadzenie
na rynek do 2030r. milion instalacji.
Początkowe dofinansowanie wynosiło
15 000 USD na jedną instalację (o
koszcie całkowitym 45 000 USD). W
2014 dofinansowanie państwa
zmniejszono do 4 000 USD ( koszt
jednostkowy 19 000 USD).
Technologia Moc Sprawność Początkowe
nakłady
inwestycyjne
Żywotność(
trwałość)
Stan rozwoju
technologii
Alkaliczne ogniwa
paliwowe Do 250
kW
Około
50%(HHV)
200-700
USD/kW
5-8 tys. h Wstępne
stadium
rynkowe
Polimerowe ogniwa
stacjonarne 0.5-400
kW
32-
49%(HHV)
3000-4000
USD/kW
60 tys. h Wstępne
stadium
rynkowe
Ogniwa
tlenkowe
Do 200
kW
50-
70%(HHV)
3000-4000
USD/kW
Do 90 tys. h Instalacje
demonstracyjne
Ogniwa
fosforanowe
Do 11
MW
30-
40%(HHV)
4000-5000
USD/kW
30-60 tys. h Dojrzały do
wdrożenia
Ogniwa
węglanowe
kW-
szeregu
MW
Ponad
60%(HHV)
4000-6000
USD/kW
20-30 tys. h Wstępne
stadium
rynkowe
Dominują instalacje z ogniwami polimerowymi. Ze względu na fakt, że w strukturze kosztów
instalacji kogeneracyjnej małej mocy nakłady na ogniwo paliwowe są rzędu jedynie 15%, nie
należy oczekiwać dalszego istotniejszego obniżenia cen instalacji kogeneracyjnych. Obecny stan
rozwoju ogniw do energetycznych zastosowań stacjonarnych ilustruje tablica . Wynika z niej, że
najdojrzalsze konstrukcyjnie są ogniwa fosforowe (PAFC). Mają one jednak stosunkowo niski
potencjał wzrostu sprawności i obniżenia kosztów inwestycyjnych. Jak już stwierdzono w
rozwiązaniach mobilnych największy potencjał mają ogniwa polimerowe
TECHNOLOGIA ELEKTRYCZNOŚĆ CIEPŁO i
CHŁÓD
TRANSPORT UWAGI
El. Wiatrowe On shore
Off shore
+ -
El. Wodne Małe(<10MW)
Duże(>10MW)
+ -
Konwersja energii
słonecznej
El. Fotowoltaiczne
El. Termiczne(
farmowe i wieżowe)
Kolektory +
+ -
El Morskie Wykorzystanie:
Fal morskich
Pływów morskich
Termiczne(gradient
temperatury)
Zjawisko osmozy
-
Konwersja energii
geotermalnej
Siłownie cieplne
konw.
Obiegi ORC i Kaliny
Inne
Energia
gruntu +
pompy
ciepła,
Konwersja
bezpośrednia
+ -
Konwersja biomasy i
odpadów
Siłownie cieplne
Układy zintegrowane
ze zgazowaniem
termicznym i
biologicznym
Ciepłownie,
kogeneracja
Bioetanol,
Biodiesel,
Biogaz
+
ENERGETYKA
ŹRÓDEŁ
ODNAWIALNYCH
Elektrownie wiatrowe
Ogniwa fotowoltaiczne
Biomasa
Doskonalenie technologii
Rola w systemie
Funkcje akumulacyjne
WNIOSKI
22
Nie ma obecnie zasadniczych sprzeczności miedzy poszczególnymi
technologiami, w tym sensie, że możliwe jest wykorzystanie ich charakterystyk w
budowie racjonalnej struktury paliwowej systemu elektroenergetycznego.
Wzrastający udział wytwarzania losowego (źródła o małej gęstości
energetycznej) zwiększa wymagania w stosunku do źródeł o dużej gęstości (
energetyka paliw kopalnych) - elastyczność cieplna, ekonomia zmiennego
obciążenia;
Głównym zadaniem pozostaje poszukiwanie optymalnego miksu paliwowego i
technologicznego. Zadanie wobec dużej dynamiki zmian technologicznych nie
jest proste do rozwiązania. Do rozstrzygnięcia jest np. rola energetyki gazowej i
jądrowej;
W procesie odbudowy mocy ważna rolę powinny odegrać bloki węglowe o różnej
strukturze technologicznej i różnej mocy. Należy także w procesie modernizacji i
odbudowy mocy rozpatrywać układy kombinowane wielopaliwowe;
Ważnym problemem pozostaje rozstrzygnięcie między skalą procesów
modernizacyjnych a zakresem inwestycji w nowe moce;
• Istnieje wiele technologii umożliwiających rozwój źródeł rozproszonych, w tym
wykorzystujących paliwa węglowodorowe.
• Nowego znaczenia nabiera energetyka wodorowa. Nowe możliwości wynikają
głownie z faktu wytwarzania wodoru z wykorzystaniem nadmiarowej energii
odnawialnej, jej funkcji magazynowej oraz istotnego potencjału zastosowań
ogniw w transporcie, co znacznie zmniejsza koszty ogniw.
• Racjonalne przyspieszenia transformacji systemu energetycznego wymaga
ciągłego poszerzenia wiedzy w społeczeństwie. Tylko w ten sposób można
uniknąć powstania wrogości wobec jednej klasy technologii i przecenienia roli
innych. Jest to zadanie kierowane nie tylko do całego systemu edukacji ale
także polityków i działaczy gospodarczych .
23
WNIOSKI
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
24
Recommended