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.



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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


Generator pare



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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




---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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


Dodatno loženje

Utilizator


Dodatno loženje

Utilizator



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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.



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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).



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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

+=



---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 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

Documents

Kogeneracijski Energetski Sustavi