Upload
donny
View
45
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Kuro elementas ar vidaus degimo variklis nedidelėje kogenetorinėje?. Vilniaus Gedimino technikos universitetas Šildymo ir vėdinimo katedra Giedrė Streckienė, doktorant ė prof. Vytautas Martinaitis, vadovas. Tyrimo tikslas. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Kuro elementas ar vidaus degimo variklis nedidelėje kogenetorinėje?
Vilniaus Gedimino technikos universitetasŠildymo ir vėdinimo katedra
Giedrė Streckienė, doktorantėprof. Vytautas Martinaitis, vadovas
2
Tyrimo tikslas
Tikslas – palyginti dvi kogeneracines technologijas nedidelės galios kogenetorinėje
Viena iš jų vidaus degimo variklis – jau plačiai naudojama technologija
Kita – kuro elementas – dar tik pradedanti įsitvirtinti technologija komerciniame pasaulyje
3
Kogeneracija
Kogeneracija – bendra elektros ir šilumos gamyba
Nacionalinėje energetikos strategijoje numatyta pasiekti, kad elektros energija, pagaminta kogeneracijos būdu, iki 2020 m. sudarytų ne mažiau kaip 35 % visos pagamintos energijos
Pagrindiniai kogenetorinių tipai: Garo turbina; Dujų turbina; Vidaus degimo variklis; Kombinuoto ciklo įrenginys; Kuro elementas; kt.
4
Vidaus degimo variklis (VDV)
Vienas iš populiariausių nedidelės ir vidutinės galios kogeneracijos būdų
Vidaus degimo variklis - tai variklis kuriame dujos ar skystas kuras, sudegintas degimo kameroje, dujų plėtimasis veikia stūmoklį, o šis suka elektros generatorių
Kuras – dujos, biodujos, dyzelinis kuras
Tipinis elektros generavimo efektyvumas tokiose sistemose yra 35 – 40%. Apie 90% variklyje išskiriamos šilumos naudingai panaudojama pastatų šildymui ir karšto vandens ruošimui
Tinka naudoti, kai elektros/šilumos poreikis yra cikliškas ir nepastovus. Egzistuoja žemų/vidutinių temperatūrų vandens poreikis
5
Kuro elementas (KE)
Kuro elementai yra elektrocheminiai įrenginiai, kurie reakcijos cheminę energiją tiesiogiai paverčia į elektros energiją. Visa laisvoji Gibso energija transformuojama į nuolatinę srovę kartu su šilumos likučiu
KE yra sudarytas iš elektrolito sluoksnio, besiribojančio su porėtu anodu ir katodu
Elektros energijos generavimo procesas nėra apribotas Karno ciklu, kaip yra tradiciniuose energijos transformavimo įrenginiuose
Likutinė šiluma gali būti verčiama į darbą, naudojant standartinius įrenginius, kuriems taikomas Karno ciklo naudingumo koeficientas.
Pagal naudojamą elektrolitą ir darbo temperatūrą KE skirstomi į tokius pagrindinius tipus: šarminiai (AFC), protonų mainų membranos (PEMFC), tiesioginiai metanolio (DMFC), fosforo rūgšties (PAFC), lydytų karbonatų (MCFC), kietojo oksido (SOFC)
6
Kietojo oksido kuro elementas (SOFC)
SOFC darbo metu elektrodo srityje redukuojamos darbinės dujos – gaunami deguonies jonai, kurie migruoja per elektrolitą. Deguonies jonai reaguoja su H2 ar CO ir susidaro H2O ar CO2 ir elektronai
Darbo metu dėl aukštos temperatūros (800-1000 ˚C) kaip šalutinis produktas išsiskiria aukštos kokybės šiluma, kuri gali būti panaudota kogeneracijai arba leidžia šią technologiją derinti su kombinuoto ciklo įrenginiais
Modulinė ir kieta konstrukcija. Elektrolitas yra kietas, neporėtas metalo oksidas (dažniausiai cirkonio oksidas su itrio priemaišomis)
Lankstumas kurui (H2, metanas, gamtinės dujos, propanas) ir suderinamumas su aplinka;
Didelis efektyvumas (~85 %) Palyginti ilgaamžiai
7
Ekserginis naudingumo koeficientas
Ekserginis (termodinaminis) naudingumo koeficientas:
elektrinis naudingumo koeficientasšilumos srauto ekserginis naudingumo koeficientassistemos pagamintas elektros darbasšilumos srauto eksergijakuro srauto eksergija
apsupties temperatūra
sistemos (kūno) temperatūra atiduodamas šilumos srautas
0,10,2
0,30,42
0,5
0,7
10,88
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Organinio kuro katilas žematemperatūriniam šildymui
Variklis/šilumos siurblys žematemperatūriniam šildymui
Fotoelementai
Vėjo jėgainės
Elektros ir kogeneracinės jėgainės
Kuro elementai
Hidroelektrinės
Viršutinė riba (idealus termodinaminis procesas)
;
f
Qetheex
E
EW
Q
T
TE aQ 1
eth
eW
QE
fE
aT
T
Q
8
Privalumai ir trūkumai
Technologija Privalumai Trūkumai
Vidaus degimo varikliai
(VDV)
Aukštas elektros generavimo efektyvumas plačiame apkrovimo intervale;Santykinai mažesnės investicijos, tenkančios 1 kWe;Platus įrenginių galios spektras;Galimybė dirbti daliniu apkrovimu, išlaikant aukštą efektyvumą;Greitas paleidimas (iki 15 sek.);Galimybė dirbti, naudojant mažesnio slėgio dujas;Gali dirbti atskirtas nuo bendro tinklo.
Reikia pastoviai aušinti, net jei šiluma nepanaudojama;Žemas gaminamos elektros energijos ir įrenginio svorio santykis, reikia tvirto pagrindo;Aukštas žemo dažnio triukšmo lygis, dėl judamų dalių vibruoja ir skleidžia triukšmą bei greitai dėvisi.
Kuro elementai
(KE)
Žemas emisijų ir triukšmo lygis;Aukštas efektyvumas, kintant apkrovai;Modulinė struktūra, trumpas montavimo laikas;Automatizuotas veikimas, greitas apkrovimo kitimas, lengvas aptarnavimas;Galima kuro įvairovė;Įvairus šilumos ir elektros santykis;Priklausomai nuo konstrukcijos ir tipo gaunama aukštos/žemos temperatūros šiluma.
Didelės investicijos;
Kuro elementų su skystais elektrolitais korozija;
Kai kurių tipų jautrumas priemaišoms;
Jei kuras naudojamas vandenilis – jo gavyba.
9
Objekto charakteristikos
Šildomas plotas: 20 299 m2
Pagrindiniai pastatai: septyni stacionariniai skyriai ir poliklinika
Norminiai šilumos poreikiai: Patalpų šildymas: 3 420 MWh Patalpų vėdinimas: 1 116 MWh Karšto vandens ruošimas: 1 464 MWh
Iš viso: 6 000 MWh Šilumos tiekimo sistemos galia: 3 300 kW Šalčio gamybos sistemos galia: 525 kW Ligoninės pastatų
kompleksas
10
Šilumos ir elektros poreikių kitimas
Gegužės mėn.
0
50
100
150
200
250
300
00.0
0
02.0
0
04.0
0
06.0
0
08.0
0
10.0
0
12.0
0
14.0
0
16.0
0
18.0
0
20.0
0
22.0
0
kW
Vasario mėn.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
00.0
0
02.0
0
04.0
0
06.0
0
08.0
0
10.0
0
12.0
0
14.0
0
16.0
0
18.0
0
20.0
0
22.0
0
kW
Karšto vandens poreikis
0
50
100
150
200
250
300
00:0
0
02:0
0
04:0
0
06:0
0
08:0
0
10:0
0
12:0
0
14:0
0
16:0
0
18:0
0
20:0
0
22:0
0
kW
Karšto vandens poreikisElektros poreikis
Šilumos poreikis per metus patalpų šildymui
11
Ką pasirinkti?
Kuro elementas ar vidaus degimo variklis?
12
Investicijos
Sistema su KE Investicijos: ~4,4 mln. Lt
Sistema su VDV Investicijos: ~2,9 mln. Lt
VDV18%
Katilas28%
ŠS48%
Akumuliacinis bakas
6%
Pagrindiniai sistemos įrenginiai: kogeneratorius (200 kWe), katilas (2500 kW), šilumos siubliai (660 kW) ir akumuliacinis bakas (30 m3)
KE47%
Katilas18%
ŠS31%
Akumulicinis bakas4%
13
Šilumos poreikių užtikrinimas
Sistema su kuro elementu KE – 22,2% Katilas – 43,9% Šilumos siurblys – 33,9%
Sistema su vidaus degimo varikliu VDV – 28,3% Katilas – 41,7 % Šilumos siurblys – 30,0%
14
Šildymo sezono kogenetorinės darbas
Sistema su KE Sistema su VDV
Apatinėje paveikslo dalyje parodytas akumuliacinio bako darbo grafikas. Akumuliacinis bakas nenaudojamas, nes šildymo periodu dažniausiai visa kogeneratoriuje pagaminama šiluma yra suvartojama. Akumuliacinio bako darbas pastebimas vasaros laikotarpiu
15
Vasaros sezono kogenetorinės darbas
Sistema su KE Sistema su VDV
Akumuliacinis bakas užpildomas šilumnešiu tik kogeneratoriuje pagaminamos šilumos pertekliumi, kai poreikis šilumai yra mažesnis nei jos gamyba. Taip dažniausiai atsitinka vasaros metu, kada šilumos poreikis nedidelis tik karšto vandens ruošimui, o elektros poreikis tik šiek tiek sumažėja. Todėl perteklinė šiluma nukreipiama į akumuliacinį baką.
16
Sistemų su KE ir VDV palyginimas
Metiniai rodikliai KE (200 kWe) VDV (200 kWe)
Sistemos gamtinių dujų suvartojimas, tūkst. m3 648,3 611,3
Pagaminta elektra, MWh 1693,6 1437,4
Pateika elektros į tinklus, MWh
118,4 70,5
Pirkta elektra iš tinklų, MWh 837,2 1010,1
Kogeneratoriaus pagaminta šiluma, MWh
1331,2 (22,2%) 1696,1 (28,3%)
Įrenginio veikimo trukmė, h 8468,0 7186,8
17
Ekonominiai rezultataiPaprastas atsipirkimo laikas (PAL)
0
2
4
6
8
10
12
Be elektros pardavimo Su elektros pardavimu
Pap
rast
as a
tsip
irkim
o la
ikas
(P
AL)
, m
etai
KE VDV
• Kogeneratoriaus ilgaamžiškumas 10 metų
• Variantuose su elektros pardavimu – elektra superkama po 13,5 ct/kWh (be PVM)
• CO2 teršalai ekonominiuose skaičiavimuose nevertinami
18
Ekonominiai rezultataiGrynoji dabartinė vertė (GDV)
Diskonto norma – 7 % Skaičiuojamasis laikotarpis – 15 metų
-1500000
-1000000
-500000
0
500000
1000000
1500000
Be elektros pardavimo Su elektros pardavimu
Gry
noji
daba
rtin
ė ve
rtė
(GD
V),
Lt
KE VDV
19
CO2 ir NOx teršalų emisijos
0
100
200
300
400
500
600
700
KE VDV
CO
2, g
/kW
h
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
KE VDV
NO
x, g
/kW
h
Pateikiamos tik kogeneratorių teršalų emisijos (200 kWe)
Naudojamas kuras – gamtinės dujos
CO2 teršalai NOx teršalai
20
Diskonto normos įtaka grynajai dabartinei vertei
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3% 4% 5% 6% esama (7%) 8% 9%
GD
V,
tūks
t. L
t
KE (1) KE (2) VDV (1) VDV (2)
Žymėjimai:KE(1) – sistema su kuro elementu, kai elektra naudojama tik savo tikslamsKE(2) – sistema su kuro elementu, kai galima parduoti elektrą tinklamsVDV(1) ir VDV (2) – atitinkamai sistemos su vidaus degimo varikliu, kai elektra naudojama savo reikmėms ir perteklių galima parduoti tinklams
21
Investicijų į kuro elementą įtaka
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600
SOFC investicijos, $/kW
GD
V,
tūks
t. L
t
KE (1) KE (2)
Esamos investicijos į KE yra apie 3500 $/kW
22
Išvados
Esamomis sąlygomis, ekonomiškai galima pagrįsti tik sistemą su VDV. Abu atvejai, kai elektra vartojama tik savo tikslams ar perteklius parduodamas sistemoje su VDV, turi teigiamą grynąją dabatinę vertę, atitinkamai 1.150 tūkst. Lt ir 1.265 tūkst. Lt
Kuro elementai ekologiškai ir termodinamiškai patrauklesnė technologija dėl didesnio potencialo išnaudoti kure esančią energiją
Sistema su KE būtų ekonomiškai naudinga, jei santykinės investicijos į KE sumažėtų bent iki 2400 $/kW
AČIŪ UŽ DĖMESĮ