TEHNOLOGIJE ZA SOPROIZVODNJO TOPLOTNE IN · PDF file• Piroliza je kemična razgradnja snovi s segrevanjem brez prisotnosti kisika • Pirolizna olja so proizvedena iz biomase v enotah

TEHNOLOGIJE ZA SOPROIZVODNJO TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE

IZ LESNE BIOMASE

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvoCenter za energetske in ekološke tehnologije

dr. Uroš Stritih, Gregor Zupan, prof. dr. Vincenc Butala

Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007

VSEBINA

- Plinski motor- Dieselski motor- Mikro turbina- Stirlingov motor- Organski rankinov proces (ORC)- Parna turbina in parni motor


Plinski motor

• Standardni motorji ki poganjajo alternator, ki pretvarja mehansko delo v električno energijo

• Možnost uporabe goriva na osnovi biomase (tudi trdne): bioplin, plin iz čistilnih naprav, odlagališčni plin, plini, ki nastanejo pri uplinjanju trdne biomase

• Toplota produktov zgorevanja se uporablja za procesno toploto ali za ogrevanje

Odstranjevalec smole

Plinsko hlajenje

Plinski filter

Plinski motor(ji)

Prenosnik toplote

Dimnik

Biomasa

Pepel

Pepel

Toplota Zrak

Električna energija

Plinski rezervoar

Dovajanje goriva Uplinjevalnik

Plinsko hlajenje

Vir: VTT Processes, 2003


Dieselski motor

• Uporaba dizelskega motorja je vezana na proizvodnjo piroliznih olj iz lesne biomase

• Piroliza je kemična razgradnja snovi s segrevanjem brez prisotnosti kisika

• Pirolizna olja so proizvedena iz biomase v enotah za pirolizo.

Sušilec

Biomasa

Olje

Piroliza

Pirolizno olje

Zrak Produkti zgorevanja

Dizelski motor

Piroliza in dizelski motor

Vir: OPET Finska, 2003


Mikro turbina

• Plinska turbina izhodne moči med 25 in 250 kWe

• Možnost uporabe trdne biomase kot goriva (uplinjanje biomase)

• Toplotna energija plinov se v turbini pretvori v mehansko energijo, ki poganja alternator

• Preostanek energije (v obliki visokih tokov vročih plinov) se uporabi v prenosniku toplote za procesno toploto ali ogrevanje

Zgorevalna komora

Produkti zgorevanja

Prenosnik toplote Toplota

Rekuperator

Mikro turbina

G Električna energija

Zrak iz kompresorja

Vir: www.energytech.at, 2004


Mikro turbina - primer Prerez mikro turbine (vir: www.biomasse-info.net)

• Imatra – Finska

• pričetek obratovanja: oktober 2003

• turbina: 30 kW (Capstone Turbine Corporation)

• letna proizvodnja el.: 240 MWh

• gorivo: odlagališčni plinMikro turbina na odlagališčni plin

(vir: www.storaenso.com)


Stirlingov motor Električna učinkovitost v odvisnosti od vrste plina v Stirlingu

27,6

36,2

23,220,8

27,3

05

10152025303540

Zrak Acetilen Amoniak Helij Vodik

Vrsta plina v Stirlingu

Elek

trič

na uči

nkov

itost

(%)

• Zaprt krožni proces – ekspanzija v vročem valju, kompresija v hladnem valju

• Zunanje zgorevanje – prenos toplote od zunaj skozi prenosnik toplote

• Možnost uporabe različnih plinov za prenos toplote v in iz krožnega procesa

• Možnost uporabe katerega koli vira toplote (tudi lesne biomase) – motor se prigradikurilni napravi

Dimnik

Daljinsko ogrevanje

Stirlingov motorT=80 °C

T=60 °C

T=1200 °C

T=600 °C

T=764 °CPredgrevanje

zraka

Sekundarni zrak

Primarni zrak

Vir: Henrik Carlsen, DTU, Danska, 2001


Stirlingov motor - raziskave

• Avstrija (www.sunmachine.at)

• električna moč: 1,5-3 kW

• toplotna moč KN: 4,5-10,5 kW

• električna učinkovitost: 20-25%

• delovni plin: dušik

• gorivo: lesni peleti

Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir: www.sunmachine.at)

Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir: www.sunmachine.at)


Stirlingov motor - raziskave

• Graz – Avstrija (www.meinkraftwerk.at)

• električna moč: 1 kW

• toplotna moč KN: 15 kW

• delovni plin: zrak

• gorivo: lesni peleti

Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir:

www.meinkraftwerk.at)

Stirlingov motor (vir: www.meinkraftwerk.at)

Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir: www.meinkraftwerk.at)


Stirlingov motor - primer

• Oberlech - Avstrija

• poskusno obratovanje: 2003 in 2004


• moč dovedena z gorivom: 337 kW

• električna učinkovitost: 9,2%

• gorivo: lesni sekanci

35 kW Stirlingov motor (vir: www.stirling.dk/)

35 kW Stirlingov motor prigrajen kurilni napravi na lesne sekance (Vir: www.mawera.com/)


Organski Rankinov proces (ORC)• Proces je podoben konvencionalnemu Rankinovemu procesu – namesto vode organski delovni medij

• V uparjalniku uparjeni organski medij ekspandira v turbini in poganja alternator, ekspandirana para pa kondenzira v kondenzatorju

• Kondenzator se ohlaja s povratno ogrevalno vodo

• Proces primeren za katerokoli obliko biomase (trdna, tekoča in plinasta) kakor tudi za odpadno toploto

ORC-process

Biomass

Combustionair

Flue gas

Thermal oil cycle Generator(directly coupled)

Turbine

Evaporator

Condenser

Regenerator

Economiser

Silicon oilpump

Thermal oilboiler

Furnace

Combustionair pre-heater

DistrictHeating

Thermal oil ECO

G

Kotel s termalnim

oljem

Biomasa

Kurilna naprava

Dimni plini

Zgorevalni zrak

Grelnik (ekonomajzer)

Predgrelnik zgorevalnega zraka

Krog termalnega olja

Turbina

ORCproces

Uparjalnik Regenerator

Kondenzator

Črpalka silikonskega olja

Daljinsko ogrevanje

Vir: BIOS Bioenergy systems, Avstrija 2003

El. učinkovitost v odvisnosti od temp. uparjanja za različne medije

Propan

Amoniak

Izobutan

R113

Voda

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50 100 150 200 250 300

Temperatura uparjanja (°C)

Elek

tričn

a uč

inko

vito

st (%

)

AmoniakIzobutanPropanR113Voda


Organski Rankinov proces (ORC) - primer

• Admont - Avstrija

• pričetek obratovanja: 1999



• električna učinkovitost: 18%

• gorivo: lesni ostanki iz industrije ORC kogeneracijska enota v Admontu (vir: BIOS Bioenergy systems, Avstrija,

TURBODEN Srl, Italija, 2003)



• Lienz – Avstrija




• električna učinkovitost: 18%

• gorivo: lesni ostanki iz industrije Turbina ORC procesa v Lienzu (vir: BIOS Bioenergy systems)



• Dobbiaco - Italija



• vhodna toplotna moč: 8700 kW


• gorivo: lesna biomasa

ORC modul v Dobbiaco, Italija (vir: BIOS Bioenergy systems)


Parna turbina in parni motor• Najbolj uporabljeni tehnologiji v kogeneracijah

• Pri manjših sistemih je parni motor glede stroškovne učinkovitosti boljša rešitev kot parna turbina

HRANILNIK PRIPRAVA

IN PREDELOVANJE

KURILNA NAPRAVA

KONDENZATOR

Izpuh

Para

GENERATOR

Pepel

Elektrika

Biomasa

TURBINA

Toplota

• Procesa sta si podobna, s tem da je parna turbina zamenjana s parnim motorjem

• Toplota motorja in kondenzacijska toplota se uporabita za procesno toploto ali za ogrevanje

• Možna uporaba katerekoli oblike biomase (trdne, tekoče kot tudi plinaste)


Parni (vijačni) motor - primer

• Hartberg - Avstrija



• vhodna toplotna moč: 5640 kW


• gorivo: lesna biomasa Parni motor na biomaso v Hartbergu, Avstrija: 1-visokotlačna stopnja, 2-nizkotlačna stopnja, 3-prestavni mehanizem, 4-generator (vir: Bios Bioenergy Systems)


Značilne tehnološke karakteristike za manjše ko-generacijske tehnologije (vir: Climtech program VTT)

Dizelski/plinski motor

Mikroturbina

Stirlingov motor ORC Parni motor

Električna moč(kWe)

15-10.000 25-250 10-150 200-1500 20-1000

Električni izkoristek (%) 30-38 15-35 15-35 10-20 15-35

Toplotni izkoristek (%) 45-50 50-60 50-60 70-85 40-70

celotni izkoristek (%) 75-85 75-85 75-85 85-95 75-85

Proizvodnja toplote (°C) 85-100 85-100, para 60-80 80-100 para

Življenjska doba (h) 25.000-60.000 50.000-75.000 50.000-60.000 ? >50.000


Zaključki

• Bolj smiselna soproizvodnja toplote in električne energije kot ločena proizvodnja.

• Za lesno biomaso velja da je:

- za hišno tehniko (do 100 kW) najbolj primerna tehnologija Stirlingov motor.

- za manjše kogeneracijske sisteme (do 1MW) je priporočljiv ORC proces in

- za večje sisteme (več MW) pa se uporablja parni proces.

• Priporočilo EU: več manjših in mikro sistemov namesto gradnje velikih sistemov – decentralizirana spoproizvodnja


Documents

TEHNOLOGIJE ZA SOPROIZVODNJO TOPLOTNE IN · PDF file• Piroliza je kemična razgradnja snovi s segrevanjem brez prisotnosti kisika • Pirolizna olja so proizvedena iz biomase v enotah