Výroba elektriny v kogenerácii
Výroba elektriny v kogenerácii
Plynová kogenerácia – plynné biopalivá v stacionárnom motore
Systém ORC (Organický Rankinov cyklus)
Trigenerácia
Kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie možno dosiahnuť pomocou nadväzujúcich na seba niekoľkých zariadení, líšiacich sa spôsobom a stupňom premeny primárneho paliva na dve zložky.
V prípade biomasy sa spaľuje tuhé, kvapalné alebo plynné palivo.
Plynová kogenerácia znamená spaľovanie plynného biopaliva v stacionárnom motore
V kogeneračnej jednotke spaľovací motor vyrába elektrinu pomocou elektrogenerátora
Spálením bioplynu v kogeneračnej jednotke možno získať 30-40 % elektriny a 40-50 % tepla z energie obsiahnutej v bioplyne.
Zvyšok predstavuje tepelná energia potrebná na udržanie optimálnej prevádzkovej teploty bioplynového digestora.
Teplo z chladenia motora, z chladenia elektrogenerátora a teplo spalín je možné využiť na ohrev vody, budov a iných zariadení.
Tepelná bilancia oddelenej a kombinovanej výroby elektrickej energie a tepla
Systém ORC (Organický Rankinov cyklus)
Klasický elektrárenský kondenzačný cyklus tepelných elektrárni na fosílne palivo transformuje tepelnú energiu na mechanickú a následne na elektrickú – pomocou vody alebo pary. Voda sa v kotle mení na vodnú paru a pri teplote asi 530 °C a tlaku asi 15 MPa je privedená do parnej turbíny (na výrobu elektriny).
Termická účinnosť takéhoto cyklu je asi 30 %, max. 85 % – čo je však obmedzené pracovným materiálom (tlak až 15 MPa!!!).
ORC je taktiež elektrárenský kondenzačný cyklus, ale tento používa v pracovnom okruhu namiesto vody či vodnej páry ako pracovnú látku zmes organických zlúčenín, napr. izopentán, izooktán, toluol alebo špeciálne upravený silikónový olej, ktoré sú svojimi termodynamickými vlastnosťami vhodné na použitie v tepelnom obehu, pričom ich bod varu je už pri +40 °C.
Princíp ORC v pri vykurovaní biomasou zodpovedá princípu voda-para (aký je pri klasickom elektrárenskom kondenzačnom cykle), avšak organické zlúčeniny zabezpečujú nízkotlakovú prevádzku v sekundárnom okruhu.
Celková účinnosť pri kogenerácii je asi 85 % (tepelné elektrárne do 85 %).
Vidieť, že s potenciálom biomasy tepelné elektrárne nahradiť nie je možné. Napriek tomu tvrdíme:
Kogeneračná jednotka na biomasu v Trhových Svinech (CZ)
Kotol na biomasu a jeho palivo
ORC jednotka
Výmenníky tepla termooleja a vody
Sušiareň rezivá odpadovým teplom zo systému ORC
Kogeneračná jednotka PD Kapušany pri Prešove. Inštalovaný výkon: 120 kWE + 210 kWT
Kogeneračná jednotka SPU Kolíňany
Trigenerácia
Trigenerácia = výroba tepla, elektrickej energie a chladu
Kombinovanú výrobu tepla, elektrickej energie a chladu možno dosiahnuť pomocou nadväzujúcich na seba niekoľkých zariadení, líšiacich sa spôsobom a stupňom premeny primárneho paliva na tri zložky.
Pod výrobou chladu rozumieme prípravu studenej – chladenej vody najčastejšie s teplotou +6 °C, ktorá sa používa napr. na klimatizáciu priestorov.
Chladená voda sa zohreje v priestore (miestnosti), ktorý chceme ochladiť napr. na teplotu +12 °C. Následne táto voda teplo získané z priestoru odovzdá v chladiacom stroji pracovnej látke.
Chladiaca jednotka systému trigenerácie:
kompresorová – pohon chladiaceho kompresora zaisťuje elektromotor
absorpčná – pohon chladiacej jednotky zaisťuje tepelná energia z teplej vody, pára,...
Biomasa a kogenerácia
Súčasný vývoj ľudskej spoločnosti je charakterizovaný neustále sa zvyšujúcimi požiadavkami na energiu, ktorá je vo svojej podstate základným predpokladom ľudskej existencie.
Žijeme v období, keď svetové spoločenstvo rieši monumentálne globálne problémy, ako sú napr. zhoršovanie sa životného prostredia, zabezpečovanie množstva pitnej vody, potravín, surovín a v neposlednom rade energie.
Dosiahnutie rozumnej spotreby energie patrí dnes medzi základné úlohy.
Jedným zo spôsobov rozumného využívania primárnej energie a jej optimálnej premeny na inú formu energie, v tomto prípade na tepelnú a elektrickú, je kombinovaná výroba tepla a elektriny, známa tiež svojim skráteným názvom kogenerácia.
Rozoznávajú sa dva základné druhy zariadení, podľa technického riešenia: plynové motory a parné turbíny. Tieto zariadenia sa vyznačujú zvýšením účinnosti (ak ich porovnávame s oddelenou výrobou elektriny a tepla)
o 30 až 40% !
Toky energií pri kogenerácii a pri oddelenej výrobe v uhoľnej elektrárni
Bioplyn je perspektívne palivo pre kogeneračné jednotky, predovšetkým preto, že sa radí medzi obnoviteľné zdroje energie. Dnes sa využíva v čističkách odpadových vôd.
Pri zhodnocovaní možnosti inštalácie kogeneračnej jednotky na ČOV, je potrebné poznať niektoré informácie, ktoré majú rozhodujúci vplyv na realizáciu uvažovaného zámeru. Ide predovšetkým o :
1. Vlastnosti bioplynu- sú základnou informáciou o vlastostiach paliva,
predovšetkým o jeho použiteľnosti z pohľadu škodlivých prímesí a tiež informácie o energetických vlastnostiach, teda o výhrevnosti.
Dôležitými informáciami sú predovšetkým:
obsah metánu (najlepšie celé zloženie plynu)
stálosť kvality plynu
obsah škodlivých prímesí
2. Produkcia bioplynu, možnosť uskladňovania do plynojemu-informácie o možnostiach a množstvách plynu. 3. Dostupnosť rozvodu zemného plynu. Zvážiť, ktorý z nasledujúcich
spôsobov prevádzky sa aplikuje:
prevádzka KJ len na bioplyn
kombinovaná prevádzka zemný plyn + bioplyn (prepínanie palív)
zmiešavanie bioplynu a zemného plynu
4. Požiadavky na funkciu kogeneračnej jednotky:
paralelná prevádzka so sieťou (P)
paralelná s možnosťou ostrovnej prevádzky (P,I)
paralelná prevádzka s funkciou záložného zdroja (P,E)
5. Spotreba elektrickej energie v areáli ČOV, sadzba
odberu elektrickej energie.
Vlastnosti bioplynu sú jedným zo základných parametrov, ktoré majú vplyv na využitie bioplynu pre pohon motora kogeneračnej jednotky. Niektoré vlastnosti bioplynu môžu uvažovaný zámer významne predražiť, alebo úplne znemožniť. Je preto nutné ku zhodnocovaniu vlastností bioplynu přistupovat veľmi zodpovedne.
Pri hodnotení je potrebné poznať nasledujúce vlastnosti bioplynu:
Obsah metánu - obsah metánu v bioplyne sa pohybuje v rozsahu 55 až 65x. Za minimálnu hranicu obsahu metánu sa všeobecne považuje koncentrácia 50%
Tlak plynu - pre spaľovanie bioplynu v plynovom motore zodpovedá hodnota tlaku v rozsahu l ,5 až 10 kPa.
Stálosť kvality plynu - ovplyvňuje predovšetkým stabilitu chodu jednotky na úroveň emisií škodlivých látok. Stálosť kvality plynu sa rozumie stabilitazloženia (koncetrácia metánu) a stabilita tlaku plynu.
Obsah škodlivých prímesí (zlúčeniny síry,fluóru a chlóru). Tie môžu spôsobiť dielov sacieho traktu motora, ale tiež vnútrných dielov motora, prichádzajúcich do styku s mazacím olejom. V čističkových bioplynoch jeobvyklý obsah sírovodíka. Limit pre koncentráciu stanovuje výrobcamotora a zvyčajne sa pohybuje okolo l,5g/m3 plynu. Okrem sírovodíka je potrebné zohladňovať všetky zlúčeniny síry, ktoré môžu byť v bioplyne obsiahnuté (sírouhlík).
Rozdiely v prevádzke medzi kogeneračnými jednotkami na zemný plyn a bioplyn sú vyvolané predovšetkým obsahom škodlivých prímesí a vlastnosťami plynu.
Predovšetkým sírne zlúčeniny môžu spôsobovať v sacích potrubiach motora vznik slabých kyselín, ktoré potom môžu spôsobovať koróziu niektorých dielov. Tak isto aj v spalinových častiach jednotky vznikajú slabé kyseliny, ktoré môžu vyvolávať koróziu.
Sírne zlúčeniny spôsobujú rýchlejšiu degradáciu mazacieho oleja motora a tým ovplyvňujú životnosť predovšetkým klzných častí motora. Týmto javom sa prechádza niektorými úpravami.
Upravy motorov:
použitie odolnejších materiálov v sacích a spalinových potrubiach,
použitie vhodných materiálov na klzné ložiská motora (materiály s minimom obsahu medi)
použitie mazacích olejov s vyššou alkalickou rezervou
úprava intervalu výmeny oleja (podľa vzorkovania)
Väčšie množstvo pretečeného plynu a obecne nižšie tlaky plynu kladú nároky na tlakové straty a regulačné vlastnosti plynovej trate. Z tohto dôvodu sa dimenzuje plynová plynová trať ( elektromagnetické ventily, nulový regulátor tlaku plynu ) s väčšími svetlosťami a prípadne sa montuje zariadenie na reguláciu bohatosti zmesi.
Porovnanie množstva uvoľneného CO2 /kWh pri rôznych palivách
Kogenerácia má však, okrem racionálnejšieho zaobchádzania s palivom, ešte jeden význam.
Prvého januára 1999 vstúpil do platnosti nový zákon o ochrane životného prostredia, ktorý stanovuje, okrem iného, maximálne povolené limity emisií.
Konštrukcia a regulácia zariadenia, druh paliva umožňujú požadované emisné limity kogeneračnému zariadeniu plniť prevažne bez problémov, vo väčšine prípadov nie je potrebný ani katalyzátor (!). Graf znázornil množstvo vytvoreného CO2 pri spaľovaní rôznych druhov palív, čo dokazuje kvalitu zemného i drevného plynu ako paliva.
Plynový motor
Spaľovací motor a to buď Ottov, do ktorého konštrukcie nie je potrebné robiť väčšie zásahy, resp. Dieselov, pomalobežný, ktorý treba do určitej miery upravovať (zážihové sviečky ...) sa upraví tak, aby palivo potrebné pre chod motora bol plyn.
Na hriadeľ motora je pomocou spojky pripevnený generátor, ktorý potom mení mechanickú energiu na elektrickú.
Funkcia motora zostáva inak nezmenená, pracuje ako každý iný spaľovací motor. Súčasne teplo, ktoré vzniká pri spaľovaní plynu v motore a za iných okolností sa odvádza do okolia (napr. motor v automobile) sa tu odvádza pomocou sústavy výmenníkov tepla do vody, resp. iného technologicky vhodného média, ktorá sa potom využije napr. na vykurovanie, prípravu teplej úžitkovej vody, klimatizáciu, alebo na iné technologické procesy (teplota horúcej vody sa pohybuje okolo 90 st.C, je ju možné však zvýšiť v špeciálnych prípadoch aj na 130 st.C .
