Megújuló energiaforrások Vízerő hasznosítás

Átírás

1 Megújuló energiaforrások Tematikát kidolgozta: Dr. Kullmann László Előadó: Csizmadia Péter - csizmadia@hds.bme.hu 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em Tel: Fax:

2 Áttekintés Bevezetés Nyílt felszínű áramlás, energiaviszonyok Vízerőművek (példák) Turbina típusok Gyakorlati problémák Törpe vízerőművek, PAT

3 1. Előadás

4 Bevezetés A vízben rejlő potenciális (helyzeti) energia hasznosítása A víz potenciális energiáját a nap adja A vizet felhasználja, de nem használja el, illetve a minőségét nem rontja Vízerőművek: a víz potenciális energiáját villamos energiává alakítják át

5 Bevezetés

6 Bevezetés Vízerőművek által termelt villamos teljesítmény (2010) Forrás: hydropower.org

7 Bevezetés A legtöbb vízenergiát hasznosító országok Forrás: WVIC

8 Bevezetés Energiaátalakítási költségek Forrás: WVIC

9 Bevezetés Éves kapacitásbővítés világszerte

10 Nyíltfelszínű csatorna y(x): vízmélység z(x): folyómeder geodetikus magassága Folyómeder esése: dz i = = dx dz dx y(x), a vízfelszín egyenlete Fontos: a vízfelszín nem feltétlenül párhuzamos a mederrel!

11 Leíró egyenletek 2 v Bernoulli egyenlet: y + z + + h = const. 2g d dx 2 v y + z + + h = 0 2 g Egyszerűsítések: dz dx dh dx = i 2 v = 2 C R = Q A C h R h ahol: C = R h = Rh n 1/ 6 A K Chézy képlet Hidraulikai sugár d dx 2 2 v Q B = 2g g A 3 dy dx Q: vízhozam (azaz térfogatáram) A: keresztmetszet B: csatorna szélessége K: nedvesített kerület n: Manning állandó

12 Leíró egyenletek A K R h = A K (jegesedés problémája!) 2 2 dy Q B dy Q Kapott egyenlet: i + = dx g A dx A C R h dy dx = i A 2 Q C Q 1 g B A R 3 h = i J ( Q, y, n) 1 Fr 2 J: mederellenállás Fr: Froude szám Folyók esetén Fr < 1 Vízmélység állandó, ha: dy dx = 0 <==> i = J Normál vízmélység

13 Vízfelszín profilok y z duzzasztás y normal lehajlás x Vízerő szempontjából hasznos: dy dx > 0 <==> i > J Ebben az esetben nőni fog a magasságkülönbség (az esés) a turbinákon

14 Az esés növelése A cél tehát a mederellenállás (J) csökkentése Üzemvízcsatorna Duzzasztás folyó üzemvízcsatorna erőmű felvíz alvíz duzzasztógát duzzasztógát Példa: Bős-Gabčíkovoi erőmű A meder minőségének javításával csökkentjük az ellenállástényezőt Példa: Tiszalöki erőmű A nagyobb mélység kisebb sebességet eredményez, így kisebb az ellenállás

15 Vízenergia potenciál Csapadék potenciál: Amikor a víz eléri a felszínt E = ρ g A Cs z Cs, i i i i [MJ/év] Lefolyási potenciál: A párolgás miatt kisebb az előzőnél ahol: A i : felület Cs i : éves csapadékmennyiség z i : geodetikus magasság Hasznosítható teljesítmény: P be h E Q, i ECs, i = α ahol: α: lefolyási tényező, = ρ Q g H = 9, 81 Q H [kw] Megtermelhető teljesítmény: Turbina, generátor hatásfoka P hasznos, vill 8 Q H ahol: Q: vízhozam H: esés

16 Vízhozamok, esések LNV LKV LKE LNE LNE: LKE: legnagyobb esés legkisebb esés duzzasztógát LNV: LKV: legnagyobb vízhozam legkisebb vízhozam A legkisebb vízhozam (LKV) esetén kapjuk a legnagyobb esést (LNE) A legnagyobb vízhozamhoz (LNV) adódik a legkisebb esés (LKE)

17 Vízhozam tartóssági görbe LNV = Q max Q ki kiépítési vízhozam Ezt átengedik a zsilipeken LKV = Q min 0% 50% 100% 365 nap/év Megadja, hogy az év hány százalékban áll rendelkezésre az adott vízhozam (mennyire tartós az adott vízhozam)

18 Eséstartóssági görbe LNE H terv LKE Redukált esés-görbe 0% 50% A kiépítési vízhozamhoz (Q ki ) tartozik a tervezési esés (H terv ) A tervezési esés alatt a turbinák nem dolgoznak optimális üzemállapotban redukált esés-görbe: 100% 365 nap/év H t = 1,5 H 0,5 H terv

19 Teljesítménytartóssági görbe P vill 0% 50% A vízhozam- és az eséstartóssági görbék szorzata 100% 365 nap/év Integrálja a teljes évre megtermelhető villamos energiát adja Függ a duzzasztási szinttől és a kiépítési vízhozamtól (optimum keresés)

20 Vízerőművek főbb típusai turbinák a) b) duzzasztómű c) d) a) öblözetbe épített b) szigetszerű c) megosztott d) pillérbe épített

21 Turbinák csoportosítása Reakciós turbinák Nyomásesés a turbinalapátokon A járókerék teljes egészében vízbe merül Kaplan, Francis turbinák Akciós turbinák A belépő vízsugár impulzusát használják fel, megváltozik az áramlási irány Nincs nyomásesés a járókeréken Pelton turbina

22 Turbina típusok Pelton turbina Francis turbina Kaplan turbina

23 Turbina típusok Bánki turbina

24 Történelem Római kori függőleges tengelyű vízkerék (Kr. u. 114)

25 Bánki turbina

26 Bánki turbina

27 Kaplan turbina Reakciós turbina, max. teljesítmény: ~150 MW Fordulatszám: n = /min Függőleges beépítésnél nagy helyigény, 90 -os iránytörés Vízszintes beépítés: csőturbina (jobb hatásfok, de nehezebb szerelhetőség) Állítható járókerék- és vezetőlapátok Propeller turbina: csak a vezetőlapátok állíthatók Thomann turbina: csak a járókerék lapátok állíthatók

28 Kaplan turbina Működési elv Forrás: Wikipedia

29 Kaplan turbina (függőleges)

30 Kaplan turbina (csőturbina)

31 Kaplan turbina

32 Kaplan turbina

33 Francis turbina Reakciós turbina, teljesítmény: MW Fordulatszám: n = /min Lassú járású: /min Normál járású: /min Gyors járású: /min Általában vezetőlapátokat alkalmaznak Közepes esés, közepes vízhozam

34 Francis turbina Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2 nd edition, Oxford University Press, 2003

35 Francis turbina

36 Francis turbina

37 Francis turbina

38 Francis turbina Maximális térfogatáram (Qmax) Minimális térfogatáram (Qmin)

39 Francis turbina

40 Pelton turbina Akciós turbina, max. teljesítmény: ~200 MW Egy vagy több sugárcsővel rendelkezik Nagy vízsugár sebességek (akár 500 km/h) Kis jellemző fordulatszám Nagy esés ( m), kis vízhozam ( liter/sec) Hatásfok 85 90% körül

41 Pelton turbina Pelton eredeti szabadalma (1880)

42 Pelton turbina Működési elv Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2 nd edition, Oxford University Press, 2003

43 Pelton turbina

44 Pelton turbina

45 Pelton turbina

46 Pelton turbina

47 Fenékküszöb Kőrösnagyhartyáni fenékküszöb

48 Fenékküszöb

49 Fenékküszöb

50 Gereb szűrőrács

51 Csőturbinás erőmű

52 Példa: Oului erőmű 1939-ben tervezték 1959-ben épült 39 MW üzemi teljesítmény (14%-a a 200 ezres lakosú városnak) 11 méteres esés 3 Kaplan turbina Lazaclépcső Árvíz esetén a fölösleg átengedhető (mint minden más erőmű esetén is)

53 Oului erőmű, gát

54 Oului erőmű, zsilipek

55 Oului erőmű, zsilipek

56 Oului erőmű, árvíz

57 Oului erőmű

58 Oului erőmű, elektromos bekötés

59 Oului erőmű, lazaclépcső

60 Oului erőmű, lazaclépcső

61 Oului erőmű, Kaplan turbina

62 Oului erőmű, Kaplan turbina Merikoske-i erőmű turbinakereke. Ez a turbinakerék és az általa meghajtott generátor az erőmű első gépeit képezték, melyek felhasználásával az energiatermelés én kezdődött. A turbinakerék folyamatos használatban volt 2007 nyaráig, amikor le lett cserélve egy újra. Az 59 éves működése alatt a turbina mintegy 3,7 milliárd kwh energiát termelt. A turbina termelése évente háztartás villamosenergiaellátására elegendő. A turbina változtatható szárnyú (lapátszögű) Kaplan-típusú vízturbina, amit a tamperei vászon és vasipari üzem gépműhelyében építettek, Tamperében, ban.

63 2. Előadás

64 Magyarország vízerőkészlete Az ország területének ~2/3-a 150 méter alatt, ~1/3 rész méter között, csupán 3% hegyvidék Vízhozamok: Duna: m 3 /s Tisza: m 3 /s Átlagos esések: Duna: 10 cm/km Tisza: 3-4 cm/km Vízkészlet: meghatározás egyik módja: m 3 befolyó víz adott idő alatt (~118 km 3 vízkészlet évi érték) meghatározás másik módja: m 3 /s-ban adott készlet, ez a pillanatnyi igények kielégíthetőségét határozza meg.

65 Magyarország vízerőkészlete Hazai folyók elméleti vízerőkészlete (forrás: Lakatos-Ötvös-Kullmann: A hazai vízenergia potenciál elméleti és reális értékeinek közelítő meghatározása, Energiagazdálkodás, 45(6), 2004)

66 Magyarország vízerőkészlete

67 Magyarország vízerőkészlete Kiépült 37 erőmű, ebből 24 Nyugat-Magyarországon Az erőművek tervezési összteljesítménye ~50 MW (egy paksi reaktor ~500 MW) Éves szinten 210 GWh energia (elméleti készlet: 7446 GWh, ez ennek a 2,8%-a) Magyarország villamos energiafogyasztása (2000): ~36000 GWh Ennek 0,6%-át adják a vízerőművek

68 Bős-Gabčíkovoi erőmű

69 Bős-Gabčíkovoi erőmű Adatok Vízhozam: ~4000 m 3 /s Esés: m Nyolc függőleges Kaplan turbina, egyenként 90 MW Összes teljesítmény: 720 MW Évente 2600 GWh energia Szlovákia villamos energiafogyasztásának 8%-a

70 Bős-Gabčíkovoi erőmű Történet 1963-ban megállapodás Magyarország és Csehszlovákia között: Bős-Nagymarosi vízlépcső rendszer kidolgozása Dunakilitinél gát és tározó épül (Duna vízének 98%-a üzemvízcsatornába) Bősnél csúcserőmű telepítése (napi 2-szeri működéssel) Nagymarosnál duzzasztás, második erőmű kis teljesítménnyel (4-5 méteres árhullám csillapítása) A két ország energiaigényének 2-3%-át fedezi 1977-ben a felek aláírták a szerződést Az eredeti üzembe helyezés ideje (1986 és 1990 között) gazdasági nehézségek miatt folyamatosan csúszott A magyar fél részéről 1983-tól aggályok merültek fel (környezeti hatások) ben sorozatos tüntetések a vízlépcső megépítése ellen 1989 május: az építkezés felfüggesztése magyar oldalról, hosszas viták Csehszlovákiával

71 Bős-Gabčíkovoi erőmű 1991: A csehszlovák kormány úgy dönt, megépíti a C változatot (egyoldali üzembe helyezés) 1992 június: a magyar fél felbontja az államközi szerződést október 25: a csehszlovák fél önkényesen elterelte a Dunát a szlovák oldalra. Magyarország a hágai Nemzetközi Bírósághoz fordul. 1995: megállapodás a vízmegosztásról Szlovákiával (!), akik 400 m 3 /s vízhozamot biztosítanak a közös mederszakaszba. Magyar fél Dunakilitinél fenékküszöböt létesít szeptember 25: a Nemzetközi Bíróság elítélte mindkét felet különböző jogsértésekért. Részletes iránymutatás a továbbiakról től napjainkig: folyamatos egyeztetések a továbbiakról, nincs végleges megoldás

72 Bős-Gabčíkovoi erőmű

73 Bős-Gabčíkovoi erőmű

74 Tiszalöki erőmű (Tisza I.) Adatok Vízhozam: ~300 m 3 /s Esés: ~5 m Három függőleges Kaplan turbina (fordulatszám: 75 1/min) Beépített teljesítmény: 12,9 MW Három duzzasztó zsilip, egy hajózsilip

75 Tiszalöki erőmű (Tisza I.)

76 Tiszalöki erőmű (Tisza I.)

77 Tiszalöki erőmű (Tisza I.)

78 Tiszalöki erőmű (Tisza I.)

79 Kiskörei erőmű (Tisza II.) Adatok Vízhozam: ~560 m 3 /s Esés: ~6,27 m Négy csőturbina (fordulatszám: 107 1/min), egyenként 7 MW Beépített teljesítmény: 28 MW Öt duzzasztó zsilip, egy hajózsilip Halzsilip Tisza-tó ( Alföld öntözése, mezőgazdaság, üdülés, sport,, párolgás)

80 Kiskörei erőmű (Tisza II.)

81 Kiskörei erőmű (Tisza II.)

82 Kesznyéteni erőmű Adatok Hernád-Sajó üzemvízcsatorna Vízhozam: ~40 m 3 /s Esés: ~13,5 m Két függőleges Kaplan turbina Beépített teljesítmény: 4,4 MW Évente 23,5 GWh energia

83 Kesznyéteni erőmű

84 Kesznyéteni erőmű

85 Ikervári erőmű Adatok Magyarország első vízerőműve, ban épült a Rába folyón Vízhozam: ~28 m 3 /s Esés: ~8,4 m 1995 óta négy Kaplan turbina Beépített teljesítmény: 2,3 MW Évente 14,5 GWh energia

86 Ikervári erőmű

87 Ikervári erőmű

88 Ikervári erőmű

89 Three Gorges vízerőmű (Kína)

90 Three Gorges vízerőmű (Kína) Adatok A világ legnagyobb vízerőműve, kilenc év alatt épült fel teljesen Vízhozam: ~ m 3 /s Esés: ~80,6 m 32+2 db Francis turbina (32 db 700 MW; 2 db 50 MW (saját ellátásra)) Beépített teljesítmény: 22,5 GW Évente 98,1 TWh villamos energia (Magyarország szükséglete ~36 TWh) 2335 m hosszú, 181 m magas gát

91 Three Gorges vízerőmű (Kína)

92 Three Gorges vízerőmű (Kína)

93 Three Gorges vízerőmű (Kína)

94 Zsiguli vízerőmű (Oroszország) Adatok ig épült, részben munkaszolgálatban Vízhozam: ~40000 m 3 /s Esés: ~80,6 m 20 db Kaplan turbina (16 db 115 MW; 4 db 120 MW) Beépített teljesítmény: 2,32 GW Évente 10,9 TWh energia 2800 m széles gát

95 Zsiguli vízerőmű (Oroszország)

96 Zsiguli vízerőmű (Oroszország)

97 Jellemző fordulatszám opt opt q H Q n n = π ω 2 60 ; 8, = = n H P Q villamos h tudjuk: Átírhatjuk: 4 5/, 4 3, opt villamos h opt villamos h q H P H H P n = = π ω π ω Innen kapjuk az alábbi alakokat: 4 5/, 4 5/, ; opt opt bev s opt villamos h H P n n H P n = = ω ω

98 Jellemző fordulatszám η opt (%) 100 Pelton Francis Kaplan , n ω n q nő Pelton Bánki Francis Kaplan

99 Turbina típusok

100 Turbina típusok

101 Euler-féle turbinaegyenlet Turbina: örvényelven működő áramlástechnikai gép Euler-féle turbinaegyenlet alkalmazása: H e = c 1u u 1 g c 2u ahol H e az elméleti fajlagos munka (súlyegységre vonatkoztatva) kilépő perdület (c 2u ) legyen zérus energiatermeléshez c 1u > 0 szükséges o ezt a perdületet vezetőkerekekkel hozzák létre u (Kaplan és Francis turbinák) 2 > 0

102 Sebességi háromszögek (Francis turbina) Belépés Kilépés c 1 c 2 w 1 w 2 u 1 u 2 Vezetőlapátok Járókerék

103 Sebességi háromszögek (Kaplan turbina) Belépés Kilépés c w 1 1 c w 2 2 u 1 u 2

104 Sebességi háromszögek (Bánki turbina)

105 Sebességi háromszögek (Pelton turbina)

106 Sebességi háromszögek - mind Bánki Pelton Francis Kaplan

107 3. Előadás

108 Üzemi jelleggörbék Turbina üzemi jelleggörbéi: Víznyelés-fordulatszám; Q(n) Hajtónyomaték-fordulatszám; M(n) Állandó esés (H) és rögzített vezetőkerék állás (ε fajlagos nyitás (, pl: ε=1; 0,8; 0,6) ) mellett vizsgáljuk. ε = Q Q névl. Célszerű fajlagos mennyiségekkel számolni H = 1 m D = 1 m Ezt az 11 index jelöli

109 Üzemi jelleggörbék Q = felület sebesség így D 2 Q Q = 2 H = 2 D π ~ 4 Q 11 2gH ~ D 2 H, Q 11 = D 2 Q H D π n = u ~ vízsebesség ~ 2gH n = 11 nd H

110 Üzemi jelleggörbék P bev = Q ρ g η H ~ D 2 H H P 11 = D P 2 bev H 3 2 M Pbev Pbev D H 3 M = ~ ~ = D H M ω 11 = n H D 3H D Fontos: ha a sűrűség nem állandó, akkor nem hagyhatjuk el!

111 Üzemi jelleggörbék Q 11 Q 11 Q 11 0,6 ε = 1 η = áll. 0,8 0,6 ε = 1 ε = 1 M 11 =0 M 11 =0 n 11 η = áll. n 11 0,6 η = áll. M 11 =0 n 11 n 11,megf n 11,megf Pelton turbina Francis turbina Kaplan turbina n 11,megf A turbinákat megfutási fordulatszámra kell méretezni Üzemzavar esetén (megszűnő terhelés) a vezetőlapátokat/sugárcsöveket gyorsan el kell zárni A gyors zárás miatt nyomáshullámok alakulhatnak ki

112 Kavitáció, szívóképesség A víz fázisdiagramja

113 Kavitáció, szívóképesség

114 Kavitáció, szívóképesség Kavitációs buborékok mikrojetek kialakulása

115 Kavitáció, szívóképesség 2 S

116 Kavitáció, szívóképesség Szívócsőben csökkentik a távozó közeg mozgási energiáját (diffúzor kialakítás) 2 H s S nő a hasznosítható esés Bernoulli egyenlet: ( 2 és S pontok között) 2 2 p2 c2 p0 cs + H s + = ρg 2g ρg 2g + h szívócső p 2 = p 0 ρgh s ρ 2 ( ) c c + h = p ρgh KQ 2 S szívócső 0 s

117 Kavitáció, szívóképesség Teljesülnie kell az alábbi feltételnek: p = p gh KQ > 2 0 ρ 2 s p g 2 H s S Mekkora a nyomástartalék? Ezt az esés százalékában fejezzük ki: NPSH r = σ H σ: Thoma-féle kavitációs szám Megengedhető szívómagasság: H s, meg 2 p0 pg KQ = σ H ρg Ha H s negatív, akkor a járókerék az alvíz alatt helyezendő el.

118 Kavitáció, szívóképesség

119 Kavitáció

120 Kavitáció

121 Kavitáció

122 Kavitáció - példák Pistol crab : pisztolyrák, kavitációs buborékkal sokkolja áldozatát

123 Kavitáció - példák Vadászat a Vörös Októberre

124 Törpe vízerőművek, PAT (Pump As Turbine)

125 Törpe vízerőművek, PAT

126 Törpe vízerőművek, PAT

127 Törpe vízerőművek, PAT

128 Törpe vízerőművek, PAT

129 Törpe vízerőművek, PAT

130 Szivattyús vízenergia rendszer Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2 nd edition, Oxford University Press, 2003

131 Szivattyús vízenergia rendszer Zöld: szivattyú üzemmód (töltés) Piros: turbina üzemmód (kisütés) Forrás: Wikipedia

132 Szivattyús vízenergia rendszer Goldisthal szivattyús vízerőmű Elhelyezkedése: Németország, Thüringia tartomány Beépített teljesítmény: 1060 MW Felső víztározó: 12 millió m 3 Alsó víztározó: 18,9 millió m 3 4 darab Francis szivattyú-turbina (ebből kettő fordulatszám szabályzással) Esés: ~350 m Gépház a hegy mélyén található barlangban

133 További megoldások Hullámerőmű (Wells turbina: széliránytól függetlenül egy irányba forog, átpattan a lapátozás )

134 További megoldások Hullámerőmű

135 További megoldások Árapály erőmű Dagály Apály

136 További megoldások Ozmózis erőmű

137 Turbina szabályzások Aszinkron generátor, állandó fordulatszám igény Víznyelés változtatásával szabályozható Szabályozó részei: Érzékelő: centrifugál inga Rendelkező: csúszógyűrű elmozdulás Jelképző: egész rudazat és a kényszerpályák Erősítő: hidraulika Szabályozó: fordulatszám-eltéréssel arányos jelleg: integráló viselkedés, lengésre, instabilitásra hajlamos Szabályozó szervomotorok (tolattyúk): olaj vagy víznyomással működnek Mechanikus PLC szabályzás (biztonság)

138 Turbina szabályzások: Direkt vezérlés Nem elég nagy a szabályozó erő.

139 Turbina szabályzások Lengésre hajlamos.

140 Turbina szabályzások: Kaplan turbina

141 Turbina szabályzások: Kaplan turbina

142 Turbina szabályzások: Francis turbina

143 Turbina szabályzások: Francis turbina

144 Turbina szabályzások: Pelton turbina

145 Turbina szabályzások: Pelton turbina

146 Lengésvédelmi akna Nagy esésű vízerőmű metszete lengésvédelmi vízaknával, Francis-turbinával (Forrás: J. Raabe, Hydraulische Maschinen und Anlagen, Teil 4, Wasserkraftanlagen, VDI Verlag, 1970) Nagyvérköri véráramlás modellezése

147 Köszönöm a figyelmet!