Seminarski rad

Kogeneracija

Predmet: Procesna Energetika Maj 2013. Autor: Boris Stricky

Profesor: dr. Ljubinko Lević

Sadržaj

Sadržaj........................................................................................................................................... 2

Uvod.............................................................................................................................................. 3

Proizvodnja Električne energije.................................................................................................4

Proizvodnja toplotne energije....................................................................................................4

Kogeneracija.................................................................................................................................. 5

Tipovi kogenerativnih postrojenja.............................................................................................6

Postrojenja sa parnom turbinom...........................................................................................6

Postrojenje sa gasnom turbinom...........................................................................................7

Postrojenja sa klipnim motorima...........................................................................................8

Postrojenja gornjeg ciklusa....................................................................................................8

Postrojenja donjeg ciklusa.....................................................................................................8

Efikasnost i kapacitet kogenerativnih postrojenja.....................................................................9

Trigeneracija.................................................................................................................................. 9

Zaključak...................................................................................................................................... 11

Literatura..................................................................................................................................... 12

Uvod

Čovek je od davnina imao potrebu za energijom, ali je tek od industrijske revolucije ona postala veoma izražena. U savremenom dobu, ta potreba za energijom sve više raste, zbog porasta broja ljudi, kao i zbog povećanja životnog standarda i napretka društva u nerazvijenim zemljama.

Potrebe industrije za energijom su veoma velike. Toplotna energija se koristi za zagrevanje procesne opreme i sirovina, za sterilizaciju, neke separacione operacije itd. dok se električna energija koristi za pokretanje skoro svih mašina, od električnih pumpi i mešalica, pa do osvetljenja.

Trenutno u svetu se kao izvor primarne energije najviše koriste fosilna goriva: nafta, ugalj i prirodni gas, sa udelom od čak 80%, dok se mnogo manje dobija nuklearne energije i obnovljivih izvora (hidroelektrane, biomasa, vetar..). Slika 1. pokazuje udeo različitih goriva u svetskoj potrošnji energije u 2005. godini [1].

Slika 1. Udeo različitih goriva u svetskoj potrošnji energije. Izvor: www.iea.org

Opšte je poznata činjenica da se fosilna goriva troše velikom brzinom, i da neće moći da zadovoljavaju svetske energetske potrebe u budućnosti. Takođe, osim što sekorišćenjem fosilnih goriva zagađuje atmosfera što rezultira štetno po ljudsko zdravlje, globalnim zagrevanjem, smanjenjem biodiverziteta itd. cena fosilnih goriva neprestano raste.

Njihova energija se koristi uglavnom za dobijanje toplotne ili električne energije, i postoje razna postrojenja koja se koriste u te svrhe. U savremeno doba, iz navedenih ekonomskih i ekoloških razloga, veća industrijska postrojenja gledaju da primenjuju takozvani kogenerativni pristup proizvodnji električne i toplotne energije, tj. da se u jednom postrojenju istovremeno dobijaju ova dva vida energije i time poveća stepen iskorišćenja goriva. Najviše pažnje u ovom radu će biti posvećeno upravo industrijskim kogenerativnim postrojenjima.

Proizvodnja Električne energijePrilikom proizvodnje električne energije u termoelektranama, samo se deo energije iz goriva pretvara u enektričnu, dok se drugi deo označava kao “otpadna toplota”. Ova otadna toplota se posle nekoliko koraka odbacuje u okolinu i nepovratno gubi, a pri tome može i štetno uticati na okolinu [4]. Pored toga, termoelektrane odlikuje mala efikasnost, tj. samo oko 30-45% [5] toplotne energije se zapravo prevede u električnu. U tabeli 1 se može videti efikasnost termoelektrana u određenim državama, a i uzavisnosti od goriva (gas ili ugalj).

Tabela 1. Efikasnost termoelektrana u određenim državama [5]Država Ugalj [%] Gas [%]

Australija 33.3 31.1Kanada 36.8 43.1

Istočna Nemačka 35 32.4Italija 35.5 14.31Japan 38.4 43.6

Švedska 17.3 -Engleska 36.8 45.6

SAD 36.9 31.6

Proizvodnja toplotne energijeIsto tako, ukoliko je za neku industrijsku proizvodnju, npr. za industriju stakla, potrebna velika temperatura, nakon što se iskoristi za glavni proces ostaje još određena količina toplotne energije, najčešće u rashladnim fluidima. Ovaj “višak” toplotne energije se često odbacuje u okolinu i tako velika količina energije ostaje neiskorišćena.

Kogeneracija

Postupak dobijanja električne energije iz nekog goriva uz istovremeno korišćenje proizvedene toplote naziva se kogeneracija (eng. Combined heat and power generation). Na ovaj način postiže se veoma veliki stepen iskorišćenja, čak do 90% (oko 35% energije se pretvara u električnu, a 65% u toplotnu) [3] što je i razlog zašto je ovoaj ti postrojenja dobija sve veću pažnju.

Princip kogeneracije se sastoji u tome da se koristi preostala toplotna energija iz termogeneratora koristi za potrebe procesa, tj. toplota koja ostane se prenosi na radni fluid koji će zagrevati rocesnu opremu, sirovine ili prostorije. Takođe, ukoliko je za neki proces potrebna visoka temperatura, nakon procesa preostala toplota se može koristiti za pokretanje turbina i stvaranje električne energije. Kao primer, na slici 2. se može videti šematski prikaz jednog kogenerativnog postrojenja na biogas.

Slika 2. Šematski prikaz kogenerativnog postrojenja na biogas.

Tipovi kogenerativnih postrojenjaPostoji više tipova kogeneratvnih postrojenja, a najčešća je podela na osnovu načina proizvodnje električne energije ili na osnovu tipa energije na osnovu kojeg se prvenstveno projektuje postrojenje.

Na osnovu generatora električne energije, dele se na:

Postrojenja sa parnom turbinom, Postrojenja sa Gasnom Turbinom, Postrojenja sa klipnim motorima [6].

Postrojenja sa parnom turbinomUpotreba parne turbine za proizvodnje električne energije je stara oko 100 godina, i dan danas se masovno koristi. Kapacitet parnih turbina se kreće u rasponu od 50kW [6] do nekoliko stotina MW [7]. Princip rada parne turbine se zasniva na rankinovom ciklusu. Na slici 3. je prikazan T-s diagram rankinovog ciklusa.

Slika 3. T-s diagram rankinovog ciklusa [3].

Kao što se može videti, ciklus se sastoji od 4 stupnja:

1-2 Voda se izentropski kompresuje do radnog pritiska kao u parnom kotlu, 2-3 Voda se izobarski zagreva do temperature ključanja ili na veću temperaturu od

stanja pothlađene tečnosti do stanja suvozasićene ili pregrejne pare, 3-4 Proizvedena para (suvozasićena ili pregrejana) izlazi iz kotla i ulazi u turbinu gde

izentropski ekspanduje i proizvodi mehanički rad, 4-1  Nakon izlaska iz turbine, nastala zasićena (mokra) para ulazi u kondenzator gde se

pri konstantnom pritisku hladi i kondenzuje do stanja vrele tečnosti nakon čega je spremna za ulazak u pumpu i time je ciklus završen.

U delu 3-4 se proizvodi električna energija, a u delu 4-1 toplota nastala kondenzacijom se može dalje koristiti za potrebe kogenerativnog postrojenja.

Postrojenje sa gasnom turbinomOvaj tip kogenerativnih postrojenja je najviše napredovao poslednjih godina usled veće dostupnosti prirodnog gasa, brzog razvoja tehnologije, značajnog smanjenja investicionih troškova, i pozitivnijeg uticaja na životnu sredinu. Ove turbine imaju malu efikasnost pretvaranja toplotne u električnu energiju, što znači da se njihovom primenom u kogenerativnim postrojenjima može dobiti značajna količina toplotne energije. Takođe ukoliko roizvedena toplota nije dovoljno visoka, moguće je dodatno zagrevanje izlaznih gasova dodatnom količinom prirodnog gasa [6].

Princip rada gasne turbine zasniva se na Bajtonovom ciklusu, čiji je T-s diagram rikazan na slici 4.

Slika 4. T-s Diagram Brajtonovog ciklusa1 [8].

Brajtonov ciklus se sastoji iz 4 stupnja:

1-2 Vazduh se izentropski sabija u kompresoru 2-3 Kompresovani vazduh rolazi kroz komoru za sagorevanje, gde se sagorevanjem

goriva, najčešće prirodnog gasa, izobarski zagreva. Proces je izobarski jer su komore otvorene.

3-4 Izentropska ekspanzija zagrejanog vazduha, čime on predaje energiju vršeći mehanički rad u turbini

4-1 Izobarsko hlađenje izduvnih gasova čime se ujedno i završava ciklus.

1 https://ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?doc=&topic=th&chap_sec=09.2&page=case_sol

U delu 3-4 se proizvodi električna energija u turbinama, dok se toplotna energija dobija u delu 4-1 hlađenjem izduvnih gasova.

Postrojenja sa klipnim motorimaPrednosti postrojenja sa klipnim motorima se ogleda u tome to se oni lako i brzo pokreću, efikasni su i pri manjim kapacitetima od maksimalnog, i ogledaju se velikom pouzdanošću, a primenom više motora u jednom postrojenju se povećava njegov ukupni kpacitet. Klipni motori imaju veći stepen iskorišćenja toplotne energije, pa samim tim i troše manju količinu goriva. Međutim, troškovi održavanja ovakvih postrojenja su veći nego kod održavanja postrojenja sa parnom ili gasnom turbinom [6].

Klipni motori se mogu koristiti za pokretanje generatora električne energije, ili se proizvedena mehanička energija može koristiti direktno, npr. za pokretanje pumpa, kompresore itd. Toplotna energija se u ovim postrojenjema može dobiti iz izduvnih gasova, rashladnih fluida motora ili rashladnih fluida mazivnih ulja.

Potrebe industrije za tolotnom i električnom energijom veoma često se ne nalaze u odnosu koji je proizveden u kogenerativnom postrojenju, pa se ova postrojenja projektuju da zadovolje potrebu za jedan od ova dva vida energije. Na ovom osnovu, ona se dele na postrojenja gornjeg i postrojenja donjeg ciklusa (engleski “Topping cycle” i “Bottoming cycle” ).

Postrojenja gornjeg ciklusaOvaj tip postrojenja je projektovan tako da se energija dobijena sagorevanjem goriva prvenstveno koristi za proizvodnju električne energije, a preostala energija se koristi kao toplotna, kao sporedni proizvod. Ovaj tip postrojenja je najčešći. U zavisnosti od metode, mogu postojati postrojenja sa parnom turbinom gornjeg ciklusa, postrojenja sa gasnom turbinom gornjeg ciklusa i posrojenja sa klipnim moorima gornjeg ciklusa.

Postrojenja donjeg ciklusaOvaj tip postrojenja se koristi ukoliko industrija za koju se projektuje kogenerativno postrojenje ima potrebu za visokim temperaturama, npr. livnice metala, fabrike stakla itd. Energija goriva se prvenstveno koristi za zagrevanje kotlova ili peći na veoma visoke temperature, a preostala toplota, kao i toplota prenešena na rashladne fluide koristi za zagrevanje vode za potrebe pokretanja turbina.

Efikasnost i kapacitet kogenerativnih postrojenjaEfikasnost i kapacitet kogenerativnih postrojenja prvenstveno zavisi od vrste postrojenja, tj. od korišćenih motora ili turbina. Na tabeli 2. je dat prikaz srednjih vrednosti kapaciteta i efikasnosti nekih kogenerativnih postrojenja.

Tabela 2. Kapacitet i efikasnost kogenerativnih postrojenja gornjeg ciklusa [6].

Tip postrojenja Nominalni kapacitet (Električni)

Efikasnost [%]

Električna energija

Toplotna energija

Ukupna efikasnost

Manji klipni motori 10 – 500kW

20-32 50 74-82

Veći klipni motori 500 – 3000kW

26-36 50 76-86

Dizel motori 10-3000 kW 23-38 50 73-88

Manje gasne turbine

800-10000kW

24-31 50 74-81

Veće gasne turbine 10-20 MW 26-31 50 78-81

Parne turbine 10-100 MW 17-34 - -

Trigeneracija

Efikasnost kogeneraivnih posrojenja zavisi od doba godine, jer su potrebe za toplotnom energijom različite zimi i leti. Zimi su veće potrebe za toplotom, jer je veća razlika spoljne temperature i procesne opreme, a potrebno je i zagrevati radni prostor i kancelarije. Pošto je leti potreba za toplotnom energijom mnogo manja, deo proizvedene energije ostaje neiskorišćen, pa se smanjuje i efikasnost postrojenja u ovo doba godine.

Problem zavisnosti efikasnosti od godišnjeg doba je rešen trigeneracijom. Osim toplotne i električne energije, trigenerativna postrojenja roizvode i rashladnu energiju u letnjim periodima primenom apsorpcionih rashldnih tečnosti, i time povećavaju efikasnost postrojenja u letnjim periodima.

Pretvaranje toplotne energije u rashladnu postiţe se u apsorpcionim rashladnim mašinama. Identičan princip rada ranije se koristio kod starih friţidera, a šematski je prikazan na slici 5. Za proizvodnju rashladne energije potrebno je da se koriste dve vrste tečnosti, rashladna i apsorpciona. U toku jednog ciklusa, apsorpciona tečnost apsorbuje rashladnu, a nakon toga se ponovo razdvajaju.

U generatoru se odvija razdvajanje apsorpcione i rashladne tečnosti. Korišćenjem otpadne toplotne energije kogenerativnog postrojenja, rastvor se zagreva i rashladno sredstvo isparava, jer ima niţu temperaturu isparavanja. Nakon toga para rashladnog sredstva dospeva u kondenzator, a rastvor siromašan rashladnom tečnošću odlazi u apsorber. U kondenzatoru se rashladna tečnost pothlađuje rashladnim medijumom i kondenzuje, a nakon toga ekspandira u ekspanzionom ventilu na ţeljenu temperaturu i pritisak. Isparivač predstavlja ključni deo rashladne mašine, u kojoj se odvija proizvodnja rashladne energije. Kroz isparivač protiče strujni krug rashladne vode koju koristi potrošač rashladne energije. Pošto je rashladna tečnost ekspandirala, temperatura rashladne vode u povratnom vodu je dovoljno visoka za isparavanje rashladne tečnosti. Na osnovu latentne toplote isparavanja rashladne tečnosti, rashladna voda se hladi i moţe da je upotrebi potrošač rashladne energije. Para rashladne tečnosti odlazi do apsorbera, u kojem se ona pothlađuje rashladnim medijumom, kondenzuje i ponovo apsorbuje u apsorpcionoj tečnosti. Time je zaokružen ciklus apsorpcione mašine.

Slika 5. Šematski prikaz apsorpcionih rashladnih mašina [5].

Zaključak

Potreba industrije za energijom je velika, a zbog stalnog porasta cene goriva i ekoloških efekata njegovog korišćenja stalno se gleda da se efikasnost proizvodnje potrebne energije poveća.

Kogeneracija je već razrađen pristup kojim se povećava iskorišćenost hemijske energije goriva, tako što se u jednom postrojenju proizvodi toplotna i električna energija. Ovim pristupom se dobije veća efikasnost nego ukoliko se primarna energija goriva koristi samo za proizvodnju eletrične ili toplotne energije, a i rešava se problem “otpadne toplote” kod termoelektrana i industrijskih procesa koji zahtevaju visoku temperaturu.

U ovom radu dat je kratak opis kogenerativnih postrojenja, njihova podela i princip na kojem deluju, kao i uopšteni podaci o kapacitetu i efikasnosti ovih postrojenja.

Literatura

1. Ngô C., Natowitz J. B., Our Energy Future -Resources, Alternatives and the Environment, 2009.

2. www.iea.org3. http://en.wikipedia.org/4. http://aie.org.au/Content/NavigationMenu/Resources/EnergyData/

Power_Station_Effic.htm5. Martinov M. et al Studija o proceni ukupnih potencijala i mogućnosti proizvodnje i

korišćenja biogasa na teritoriji AP Vojvodine, 2011.6. www.retscreen.net/fichier.php/1000/Chapter-Cogeneration.pdf7. http://www.alstom.com/power/coal-oil/steam-turbines/8. https://ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?

doc=&topic=th&chap_sec=09.2&page=case_sol