Kapcsolt hő- és villamos-energia termelés. Kogeneráció (CHP)

Átírás

1 Kapcsolt hő- és villamos-energia termelés Kogeneráció (CHP)

2 Bevezetés Tartalom A kapcsolt energiatermelés előnyei Kapcsolt energiatermelés - gőz-körfolyamattal - ORC rendszerrel - gáz-turbinával - belsőégésű motorokkal - Stirling motorral - üzemanyag cellával Tri-generáció A kogeneráció alkalmazásának gazdasági kérdései

3 Hő: Energia igények Háztartási: Fűtés, HMV, Főzés Ipari: Sterilizálás, Desztilláció, Hőkezelés, stb. - állandó, vagy Légkondicionálás és hűtés Villamos energia csökkenő - növekvő - növekvő ( Közelekedés, szállítás - növekvő )

4 Fűtési és klímatizálási igény változása az év során

5 Energiaigények és források alakulása

6 Energiaellátási tendenciák

7 Támogatott fejlődési irányok Energiaigény csökkentése, hatékonyabb energia felhasználás - pld. Európai Épületenergetikai Irányelv (EPBD) Hatékonyabb energia termelés - Ko-, tri-, vagy poli-generáció (egyidejű hő + villamos + hűtés + bioüzemanyag) Megújulók részarányának növelése - Biomassza hő, hűtés, villamos energia, üzemanyag - Nap hő, hűtés, villamos energia (PV) - Szél, víz, hullám villamos energia - Geotermikus - hő, hűtés, villamos energia

8 A kapcsolt energiatermelés s (kogener( kogeneráció) ) főf előnye A kogeneráció (CHP) alatt a kombinált, egy rendszerben és egyidőben történő kapcsolt hő- és villamos energia termelés-t értjük. Legfőbb előnye, hogy azonos hasznos energia termelés sokkal kevesebb tüzelőanyag felhasználással valósítható meg. A CHP alkamazások négy legfőbb kategóriája: Kisteljesítményű CHP rendszerek: egy vagy néhány lakás, vagy kisebb épület energiaellátására Közepes teljesítményű CHP rendszerek: Ipari, vagy kommunális létesítmények, bevásárlóközpontok, lakóparkok energiaellátására Nagyteljesítményű CHP erőművek: Ipari területek, és/vagy lakóépületek távfűtéses energiaellátására Megújuló alapú CHP rendszerek: bármelyik előző három teljesítményszinten lehet

9 A kogeneráció legfőbb előnyei Legfőbb előnye, hogy azonos hasznos energia termelés sokkal kevesebb tüzelőanyag felhasználással valósítható meg! A villamosenergia, mint elsődlegesen legértékesebb energia termelése során párhuzamosan keletkező hőenergia hasznosításán alapul. A CHP rendszerek hatékonysága a rendelkezésre álló hőenergia hatékony és hasznos felhasználásától függ. Legelőnyösebb, ahol egész évben folyamatos és közel állandó hőigény jelentkezik. Illetve a rendszer működést a hőigények változása szerint kell szabályozni. A sok kis és közepes teljesítményű u.n. elosztott villamos energia termelő rendszer által megtermelt villamos energia a termelés helyén, vagy annak közelében kerül felhasználásra, így megspórolható a hálózati veszteség. (~10%). Az energiatermelés szabályozása az igényekhez igazodóan kell, hogy történjen. Villamos energia termelése igazítható a csúcsidőszakokhoz, illetve létrehozhatók villamosenergia termelésben együttműködő, kifelé nullszaldós u.n. smart-grid-ek.

10 Tüzelőanyagok osztályozása Halmazállapot Fosszilis Megújuló Szilárd szenek: biomasszák: fekete-, barnaszén fa és mezőgazdasági hulladékok lignit Folyékony kőolaj származékok: benzin, kerozin, diesel olaj, fűtőolaj energia növények, hulladékok biomasszák: növényolaj, biodiesel bio-ethanol Gáznemű földgáz, PB biogázok: széngáz erjesztett biogáz, biomassza elgázosításból származó pirolízis-gáz

11 Carnot körfolyamat Villamos energia mechanikai munkából termelhető. Hőenergiából mechanikai munka termeléshez körfolyamat szükséges, vagyis a hőenergia nem alakítható teljes mértékben mechanikai munkává. (A mechanika, vagy a villamos energia viszont teljes egészében hővé alakítható.) η C = w out q in w in = q in q q in out = 1 q q out in = = 1 T T = 1 2 ( S ( S 2 S S 1 ) ) T T 1 2

12 A rendszer felépítésének alapelvei A kogenerációs rendszer 4 fő elemből áll: mechanikai energia termelő hőerőgép amely hajtja a generátort. Ezek lehetnek: kazán és gőzturbina, gázturbina, belsőégésű motor újabb lehetőségek: Stirling motor, vagy üzemanyag cella villamos generátor hőhasznosító rendszer szabályozó rendszer Osztályozás hőerőgép szerint Külső tüzeléses Turbina Gőzturbina Gázturbina Kombinált ciklus ORC rendszer Motor Gőzmotor Stirling engine Kombinált ciklus Hőerőgép Szikra gyújtású Benzin motor Gázmotor Belső égésű Kompresszió gyújtású Diesel motor

13 Energiatermelés Rankine (gőz) ciklussal

14 50 [%] Rankine körfolyamat elméleti és valós hatásfok változása a frissgőznyomás függvényében p [bar]

15 Kapcsolt energiatermelés ellennyomású gőzturbinával A Rankine cikluson alapul, a kondenzációs hő teljes hasznosításával. A hatásfokok alakulását meghatározó legfőbb jellemzők: a villamos energiatermelés hatásfoka annál nagyobb, minél nagyobb a különbség a turbina belépő és kilépő nyomása és hőmérséklete között (2% - 25%) A nagynyomású rendszer kialakítása azonban költséges. a rendszer teljesítményét a hőigény szabja meg az összhatásfokot a kazánhatásfok határozza meg (~90%) Csak közepes, vagy nagyteljesítményű rendszereknél alkalmazzák, ahol a gőztermelésre pld. ipari célra mindenképpen szükség van. Előnye, hogy bármilyen tüzelőanyaggal, akár hulladékokkal is fűthető.

16 Ellennyomású gőzturbina alkalmazásának energiafolyam ábrája

17 Kapcsolt energiatermelés elvételes-kondenzációs gőzturbinával A villamosenergia termelés és a hőtermelés teljesítményszabályozása szétválasztható egymástól A villamosenergia termelés részaránya és hatásfoka növelhető a kondezációs részarány növelésével. A kondenzátorban elvezetett hő azonban veszteség, így az összhatásfok csökken a kondenzációs részarány növekedésével.

18 Biomassza alapú kapcsolt energiatermelés elvételes-kondenzációs gőzturbinával

19 Rankine cikluson alapuló vízgőz munkaközeggel üzemelő kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás Bármilyen éghető anyag, hulladékok is 2% - 25% az alkalmazott gőznyomásoktól függően 65% - 88% ~90% kb. megegyezik a kazánhatásfokkal Függ a tüzelőanyagtól, CO, NO x, SO 2, por, de alacsony értéken tartható Az alkalmazott nyomás emelése növeli a beruházási költséget Csak közepes, vagy nagyteljesítményű rendszerekben, ahol gőzre szükség van

20 Organikus Rankine Ciklus (ORC) A vízgőz helyett szerves hőhordozó közeget alkalmazva kapjuk az Organikus Rankine Ciklust (ORC) A körfolyamatot megvalósító berendezés zárt kört alkot A hőbevezetés egy hőcserélőn keresztül általában termoolajos fűtéssel történik Termoolaj alkalmazásával magas hőmérsékletű hőhasznosítás érhető el alacsony, környezetihez közeli nyomásszinten. Az alacsony nyomású rendszer kialakítása olcsóbb. A hőhasznosítás a kondenzátor oldali hőcserélőn keresztül lehetséges. Nincs szükség drága vízelőkészítő rendszerre. A közeg megfelelő kiválasztásával a turbina optimális paraméterek mellett üzemelhet. 200 kw e 3 MW e villamos teljesítmény tartományban előregyártott rendszerek kaphatók. A kiadható hőteljesítmény 0,9 MW 14 MW tartományban lehet. A villamosenergiatermelés hatásfoka 10% - 20% között van. Az összhatásfok megfelelő hőhasznosítás esetén 80% - 90% lehet. A rendszer működését a hőigények szerint kell szabályozni. Tüzelőanyagként mindenfajta éghető anyag szóba kerülhet, beleértve biomasszát és a háztartási és ipari hulladékokat is.

21 Organikus Rankine Ciklus ORC alapú kogeneráció

22 Továbbfejlesztett ORC alapú kogeneráció

23 ORC rendszer energiafolyam ábrája

24 ORC rendszer felépítése

25 Előregyártott ORC rendszer

26 ORC alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás Bármilyen éghető anyag, hulladékok is 10% - 20% az alkalmazott hőmérsékletszinttől függően 65% - 75% 75% - 85% Függ a tüzelőanyagtól, CO, NO x, SO 2, por, de alacsony értéken tartható Az alkalmazott nyomás emelése növeli a beruházási költséget Kis és közepes teljesítményű rendszerekben

27 Geotermikus energia hasznosítás ORC rendszerrel

28 Geotermikus energia hasznosítás ORC rendszerrel

29 ORC alapú geotermikus rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás Nincs! 8% - 12% az alkalmazott hőmérsékletszinttől függően min. 75ºC-os hőm.diff. szükséges 20% - 40% 30% - 50% Nincs! A fúrás nagyon költséges, továbbá a visszasajtolás energiaigénye nagy. Közepes teljesítményű rendszerekben

30 Energiatermelés gázturbinával

31 Kapcsolt energiatermelés gázturbinával A villamos energia termelés a gázturbina által hajtott generátor segítségével történik, melynek hatásfoka 28% -38%. Hőhasznosításra a gázturbina magas hőmérsékletű távozó füstgáza ad lehetőséget. Az összhatásfok 75% - 85% tartományban várható megfelelő hőhasznosítás esetén. Tüzelőanyagként csak tisztított folyékony, vagy gáznemű tüzelőanyag használható A jelenleg kapható legkisebb egység 30kW e villamos és 50 kw th hőteljesítményű. Nagyobb egységeket legtöbbször a repülőgépekből származó (aero-derivatív) gázturbinákkal készítenek.

32 Mikro-gázturbina alapú energiatermelés sémája

33 Mikro gázturbinás energiatermelő rendszer

34 Gázturbina alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás Csak folyékony, vagy gáznemű megfelelően tiszta tüzelőanyag, de a folyamatos égés miatt kevésbé érzékeny, mint a belsőégésű motorok 28% - 38% 47% - 55% 75% - 85% Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO 2, NO x több mint kazánban tüzelésnél Gyorsan indítható, szükségáramforrásként is alkalmazható. Kevésbé karbantartásigényes, mint a belsőégésű motorok. Közepes teljesítményű rendszerekben

35 Külső tüzeléses gázturbina

36 Külső tüzeléses gázturbina

37 Külső tüzeléses gázturbina alapú rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Szilárd tüzelőanyaggal is üzemeltethető Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás 25% - 35% 45% - 55% ~ 80% Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO 2, por NO x A hőcserélő kritikus alkatrész. Jelenleg fejlesztés alatt van. Kis és közepes teljesítményű rendszerekben

38 Kogeneráció kombinált gáz-gőz turbinás rendszerrel Magas villamos energia termelési hatásfok érhető el ezzel a rendszerrel. 50% - 60% A póttüzelés javítja a rendszer flexibilitását, azonban csökkenti a hatásfokot. Az összhatásfok 80% - 90% körül alakul, a hőhasznosítástól függően. Ilyen rendszereket csak nagy teljesítményű fűtőerőművi szinten készítenek.

39 Kombinált gáz-gőz turbinás rendszer felépítése

40 Kombinált gáz-gőz turbinás körfolyamat η η η tot GT = = steam. P + P GT P GT. Q = in. Q. Q in P steam steam transfer Q ε = Q transfer. ε stea min let

41 Kombinált gáz-gőz turbinás körfolyamat villamos hatásfoka. Q. Q transfer = stea min let. Q = in. Q P GT transfer =. Q ε = in. Q ( 1 η ) in ε GT ( 1 η ) P steam = η Q = η Q ε ( η ) η η tot = P GT.. steam stea min let steam in 1 GT + η steam. Q. Q in in ε ( 1 η ) GT η steam = ηgt + ε ηsteam ε ηgt tot 1 GT η η steam GT = 0,3 ε = 0,8 = 0,3 η tot = 0,47 η η steam GT ε = 0,9 = 0,35 = 0,38 η tot = 0.575

42 Energiaáramok jellemző megoszlása kombinált gáz/gőz turbinás rendszereknél

43 A villamosenergia termelés hatásfokának jelenlegi és várható alakulása

44 Póttüzelés alkalmazása. : Q in = QGTin + Qadd f add = η tot Q Q = add GT P GT + Q P in steam = Q P GT GTin + Q in =Q GT (1+f add ) P steam ( ) 1 + f add A póttüzelés növeli a rendszer flexibilitását, de csökkenti a hatásfokát.

45 Kombinált gáz-gőz turbinás rendszer kialakítása

46 Az Újpesti fűtőerőmű kapcsolása Újpest CC/GT power plant Gas 70 bar 500C ST Oil 70/6bar SB 70/25bar 70/1 bar HRSG Gas Oil cooling tower Steam consumer HWB G. GT Heat consumer

47 Kombinált gáz-gőz turbinás rendszer működése 0 0,042 0,083 0,125 0,167 0,208 0,25 0,292 0,333 0,375 0,417 0,458 0,5 0,542 0,583 0,625 0,667 0,708 0,75 0,792 0,833 0,875 0,917 0,958 MWe GT ST

48 Kombinált Gáz-Gőzturbina alapú rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás Csak folyékony, vagy gáznemű megfelelően tiszta tüzelőanyag, de a folyamatos égés miatt kevésbé érzékeny, mint a belsőégésű motorok 50% - 60% 0% - 40% 50% - 90% Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO 2, NO x több mint kazánban tüzelésnél Összetett rendszer, magas beruházás igénnyel Közepes és nagy teljesítményű rendszerekben, elsősorban villamosenergia termelésre

49 Ebben a rendszerben a HRSG-ben termelt gőzt visszavezetik a gázturbina tűzterébe. Így nem szükséges gőzturbina De a visszavezetett gőz magas hőmérsékleten disszociál. A hidrogén bediffundál különböző gázturbina alkatrészekbe, azok gyors elhasználódást okozva ezzel. Emiatt ezt a módszert így nem alkalmazzák. De egy kis mennyiségű gőz bevezetése még nem okoz nagymértékű diffúziót, ugyanakkor csökkenti az NO x képződést, valamint növeli a gázturbina teljesítményét. Ezt a megoldást részleges Cheng ciklusnak nevezik. Cheng ciklus

50 Külső tüzeléses gázturbina részleges Cheng ciklussal

51 Kapcsolt energiatermelés belsőégésű motorokkal Belsőégésű motorok: Széleskörűen alkalmazhatók kis- és közepes teljesítményű rendszerekben; Viszonylag magas villamos energia termelési hatásfokkal rendelkeznek, de a hőenergia hasznosítás nem olyan egyszerű, mivel a hő megoszlik a hűtővíz és a kipufogógáz között. A hűtővízből nyerhető hőenergia hőmérséklet szintje korlátozott < 90ºC.. A motor lehet: szikra gyújtású (Otto-motor) vagy kompresszió gyújtású (Diesel-motor)

52 Az elméleti Otto körfolyamat V η = W Q = = Q Q 1 1 cv ( T3 T2 ) cv ( T4 T1 ) c ( T T ) v 3 2 T4 T1 = 1 = 1 T T ε κ 1 ahol ε = V 1 /V 2 a kompresszió viszony, κ = c p /c v fajhőviszony

53 Az elméleti Diesel körfolyamat ahol ρ = V 3 /V 2 ( ) ) T ( T c ) T ( T c ) T ( T c Q Q Q W p 1 4 v 2 3 p 1 1 = = = = ρ κ ρ ε η κ κ

54 Körfolyamati hatásfok változása a kompresszió viszony függvényében

55 4 ütemű belsőégésű motor működése

56 Belsőégésű motorok valós körfolyamata Otto Diesel

57 Diesel motorok Diesel motor kategóriák: Kétütemű (alacsony fordulatú) motorok: fordulatszám n < 200 /perc, teljesítmény tartomány P e =1-50 MW, villamos hatásfok: η e = 45-53%. Négyütemű motorok lehetnek: Közepes fordulatú motorok: n = /perc, teljesítmény tartomány P e =0,5-20 MW, villamos hatásfok: e = 35-48%, vagy Magas fordulatú motorok: n = /perc, teljesítmény tartomány P e =0,1-2 MW, villamos hatásfok: e = 35-40% Tüzelőanyag lehet: diesel olaj, nehéz / könnyű fűtőolaj, földgáz, PB gáz, Biogáz Otto motorok Teljesítmény tartomány: 20 kw MW. Fordulatszám tartomány: /perc. Villamos hatásfok: 25-35%. Tüzelőanyag lehet: benzin, metanol, etanol, földgáz, PB gáz, Biogáz,

58 Egyszerű belsőégésű motoros kogenerációs rendszer

59 Összetett belsőégésű motoros kogenerációs rendszer

60 Belsőégésű motor energiafolyam ábrája

61 firing shaft mech Q W & & = η firing GE e Q P & = η firing GE GE br Q Q P & & + = η heat e GE GE GE Q P η η σ = = & firing useful,useful heat Q Q & & = η firing useful self GE sum,net Q Q P P & & + = η Hatásfokok firing GE heat Q Q & & = η firing self GE e,net Q P P & = η exhaustgasbypass emergencycooling self GE useful Q Q Q Q Q & & & & & = useful self GE net Q P P & = σ

62 43,00 Motorok villamos hatásfokának változása a terhelés függvényében 42,00 41,00 40,00 39,00 38,00 37,00 Jenbacher 320 Jenbacher 316 Jenbacher 420 Deutz V20 36,00 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

63 Az összhatásfok és a hő-hasznosítási arány η sum,net = P GE P Q& self firing + Q& useful

64 A kogenerációs arány és az összhatásfok alakulása σ net = PGE P Q& useful self cog,net σ 1,45 1,35 1,25 1,15 1,05 0,95 0,85 0,75 0,65 0,55 0,45 ηel: 30% 35% 40% 45% 50% 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 Net summa efficiency

65 Belsőégésű motor alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás Csak folyékony, vagy gáznemű megfelelően tiszta tüzelőanyag, a periodikus rövid idejű égés miatt a legérzékenyebb a minőségre 30% - 50% 40% - 50% 80% - 90% Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO 2, NO x a legmagasabb Gyorsan indítható, szükségáramforrásként is alkalmazható, de karbantartásigényes. Kis és közepes teljesítményű rendszerekben

66 Kogeneráció külső égésű motorokkal Gőzmotor, gőzgép (Spilling motor) A módszer azonos a gőzturbinás kapcsolt energiatermeléssel Gőzmotorok teljesítménytartománya jelenleg: 30kW - 500kW. Tüzelőanyag: bármilyen szilárd, folyékony, vagy gáz Stirling motor A Stirling motorba a hőbevezetés kívülről történik. Hőleadás oldal hasznosítható fűtésre, vagy HMV kszítésre Villamosenergia termelés hatásfoka a hőbevezetés és hőelvezetés átlaghőmérsékletétől függ A Stirling motorok háromféle elrendezéssel készülnek: Alfa, Beta, vagy Gamma Alpha Stirling Beta Stirling Gamma Stirling

67 Stirling motor A Stirling-motor vagy más néven hőlégmotor, külső hőbevezetésű hőerőgép, általában dugattyús-forgattyús mechanizmussal készül. A hatásfokát a hőmérséklet különbség határozza meg. A Stirling motor egy zárt ciklusú hőerőgép gáz munkaközeggel. A zárt ciklus azt jelenti, hogy ugyanaz a munkaközeg van állandóan a motorban, nem cserélődik. Mivel a motor fűtése kívülről történik, így bármilyen megfelelő hőmérsékletű hőforrással táplálható. Az égés kivül zajlik le, ezért a levegő-tüzelőanyag-keveréket sokkal pontosabban lehet szabályozni. A folytonos égés miatt a szennyezőanyag emisszió jelentősen csökkenthető. A Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költséges szerkezetek, ezek nyomásálló és korrózióálló kivitelben kell, hogy készüljenek. Eltömődésre, elrakódásra érzékenyek, valamint belső térfogatuk korélátozott, így a hőcserélő felület nem növelhető korlátlanul. Különösen kis hőmérsékletkülönbség esetén a hideg és meleg oldal között a motor méretei sokkal nagyobbak az azonos teljesítményű belsőégésű motorokhoz képest a nagy hőcserélők miatt. A Stirling motort nem lehet gyorsan beindítani, lassú felmelegedésre van szüksége. Ez ugyan a belsőégésű motorokra is igaz, de a felfűtéshez szükséges idő itt sokkal hosszabb. A leadott teljesítményt nehéz változtatni, gyors változtatás nem is lehetséges. A teljesítményt vagy a dugattyú lökethosszának változtatásával vagy az áramló gáz mennyiségével lehet szabályozni. Ez kogenerációs alkalmazásoknál, ahol állandó teljesítményre van szükség, kevéssé problematikus.

68 Stirling körfolyamat

69 Stirling motor működése

70 Stirling motor működése

71 Stirling motor biomassza tüzeléshez

72 Stirling motor beépítési példa

73 Stirling motor alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Tetszőleges, akár szilárd tüzelőanyag is alkalmazható ~ 30% 40% - 50% 70% - 80% Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO 2, por NO x a legmagasabb Még nem elterjedt, részben még fejlesztés alatt Alkalmazás Kis és közepes teljesítményű rendszerekben

74 Poli-generáció Integrált gázosítós kombinált ciklus (IGCC)

75 Szilárd és hab Biogáz alapú kogeneráció Szurés és tisztítás H 2 O H 2 S Nyomásfokozó Biogáz tároló Generátor Hálózati szinkronizálás Villanyáram AC, 50 Hz CO 2 Gázturbina Fáklya Biogáz tároló Gázmotor Generátor Hohasznosító Katalizátor Füstgáz Biogáz Futés Alapanyag tárolás és homogenizálás Hígtrágya FERMENTOR Aprítás Fém és egyéb meddo anyag leválasztása Istállótrágya és mezogazdasági hulladékok Ülepítés és semlegesítés Víztároló Öntözés Talajero pótlás Víztelenítés Szilárd maradvány

76 Elgázosítás alapú kogeneráció

77 Güssingi gázosító rendszer

78 A gázosító rendszer hatásfoknak javítási lehetőségei

79 Gázosítós Gáz-Gőzturbina alapú rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Szilárd tüzelőanyagok, szén, vagy biomassza Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Gazdaságosság Alkalmazás 25% - 55% 0% - 40% 50% - 85% Függ a tüzelőanyagtól, CO, SO 2, por, NO x Nagyon összetett rendszer, rendkívül magas beruházás igénnyel Nagy teljesítményű rendszerekben, elsősorban villamosenergia termelésre, illetve hulladék ártalmatlanításra

80 Üzemanyag cella Az üzemanyag cellák működési elve:

81 Az üzemanyag cella működési elve

82 Üzemanyag cella Villamos energiát és hőt fejleszt H 2 és O 2 elektrokémiai oxidációja útján Egyetlen cella tipikusan 1 V feszültséget ad. A hatásfok 40%-70% között alakul a cellatípustól függően. A végtermék H 2 O.

83 Az üzemanyag cellák típusai Bázikus üzemanyag cella Polimer Elektrolit Membrán üzemanyag cella Foszforsavas üzemanyag cella Szilárd oxid üzemanyag cella Folyékony karbonát üzemanyag cella Közvetlen metanolos üzemanyag cella Regeneratív üzemanyag cella

84 Bázikus üzemanyag cella (AFC) A bázikus üzemanyag cella (AFC) volt az egyik első alkalmazott technológia az űrprogramban, az űrhajók villamos energia és vízellátására. Ezek a cellák kálium-hidroxid oldatot használtak különböző katalitikus fémekkel, amelyek az anód és katód szerepét töltötték be. A cellák 23 C - 70 C hőmérséklet tartományban üzemeltek, de léteznek magas hőmérsékletű típusok is, melyek 100 C C hőmérséklet tartományban üzemelnek. Villamos hatásfokuk megközelíti a 60%-ot. Hátránya, hogy kis mennyiségű CO 2 is elszennyezi. Ezért csak nagyon tiszta hidrogénnel és oxigénnel táplálható.

85 Polimer Elektrolit Membrán (PEM) üzemanyag cella A Polimer Elektrolit Membrán (PEM) üzemanyag cellák protoncserélő membrán üzemanyag cellának is nevezik fajlagosan kisebb tömegűek és térfogatúak más típusú üzemanyag cellákkal összehasonlítva. Szilárd polimert alkalmaznak elektrolitként és platina katalizátort. Nincsenek benne korrozív folyadékok, mint más cellák esetén. Táplálásához csak hidrogén és levegő szükséges. A hidrogén ellátás történhet tartályból, vagy reformerből, amely szénhidrogénből fejleszt hidrogént. A cella relatív alacsony hőmérsékleten k.b. 80 C üzemel. Emiatt gyorsan indítható, hamar bemelegszik. Azonban az alkalmazott platina katalizátor nagyon érzékeny a CO-ra, amelytől elszennyeződik. Ennek akkor van veszélye, ha a hidrogén szénhidrogének reformálásából származik.

86 Foszforsavas üzemanyag cella (PAFC) A foszforsavas üzemanyag cellában folyékony foszforsavat használnak. A savat teflon bevonatú szilikon karbid mátrix tartalmazza. Elektródaként platina katalizátor szolgál. Ezt az üzemanyagcellát tekintik a modern üzemanyag cellák első generációjának, amelyet forgalomba hoztak. Ez az üzemanyag cella kevésbé érzékeny az elszennyeződésre Azonban a PAFC cellák fajlagosan nagyobb méretűek, mint pld. a PEM cellák és költségesebb az előállításuk.

87 Szilárd oxid üzemanyag cella (SOFC) A szilárd oxid üzemanyag cellák szilárd, nem porózus kerámiát használnak elektrolitként. Mivel az elektrolit szilárd, nem szükségszerű a sík lemezes kialakítás. Ez az üzemanyag cella magas hőmérsékleten ~1000 C üzemel. A magas hőmérséklet lehetővé teszi az üzemanyagok belső reformálását. Így nem szükséges külön reformer alkalmazása. Ez a cellatípus nem érzékeny a kénre, vagy például a CO-ra, sőt magas CO tartalmú gáz pld. elgázosításból származó is használható mint üzemanyag.

88 Folyékony karbonát üzemanyag cella (MCFC) Ez az üzemanyag cella magas hőmérsékleten ~650 C üzemel. A magas hőmérséklet lehetővé teszi az üzemanyagok belső reformálását. Így nem szükséges külön reformer alkalmazása. Ez a cellatípus nem érzékeny a kénre, vagy például a CO-ra, vagy CO 2 -re sőt magas CO tartalmú gáz pld. elgázosításból származó is használható mint üzemanyag. Szén, vagy biomassza elgázosításból származó tüzelőanyagokhoz is kiválóan alkalmas.

89 Közvetlen metanolos üzemanyag cella (DMFC) A többi üzemanyagcella működtetéséhez közvetlenül, vagy közvetve de hidrogénre van szükség. Ebben a cellában azonban metanolt és gőzt kell az anódhoz vezetni. A metanol hasonlóan tárolható és szállítható, mint a hagyományos folyékony üzemanyagok, mint a benzin vagy a diesel olaj. Ez a technológia azonban még fejlesztés alatt áll. A piaci bevezetésre még várni kell.

90 Regeneratív üzemanyag cella A regeneratív üzemanyag cella tulajdonképpen egyesíti az elektrolízisre alkalmas cellát az üzemanyag cellával. A fel nem használt villamos energiával völgyidőszakban vizet lehet bontani, majd igény esetén csúcsidőszakban villamos energia (és hő) termelhető. Ez tulajdonképpen a villamos energia tárolás egyik formája. Ez a fajta üzemanyagcella is fejlesztés alatt áll még.

91 Különböző üzemanyag cellák összehasonlítása Üzemanyag cella típusa Elektrolit Működési hőmérséklet [ C] Üzemanyag lehetőségek Rendszerelemek Villamos hatásfok [%] Megjegyzés Jelenlegi maximális teljesítmény Bázikus (AFC) 30% KOH tiszta H 2 Cellák, Vízleválasztó 60 CO 2 -érzékeny 20 kw Polimer- Elektrolit Membrán (PEMFC) PEM NAFION 0-80 H 2 Metán, Metanol Cellák, Reformer, Gáztisztító 60 (H 2 ) 40 (CH 4 ) CO-érzékeny 250 kw Közvetlen- Metanol (DMFC) PEM NAFION Metanol Cellák 40 H 2 nem szükséges Fejlesztés alatt Foszforsavas (PAFC) conc. H 3 PO H 2 Metán, Cellák, Reformer, Konverter, Hőcserélő 40 CO-érzékeny 11 MW Folyékony Karbonát (MCFC) Li 2 CO 3 / 2 CO Metán, Széngáz, Biogáz, Pirolízisgáz Cellák, Gázosító, vagy Reformer, Hőcserélő CO 2 bevezetés is szükséges 2,2 MW Szilárd Oxid (SOFC) Zr(Y)O H 2, Metán, Széngáz, Biogáz, Pirolízisgáz Cellák, Hőcserélő Szénhidrogén üzemanyag előreformálás nem szükséges 25 kw

92 Üzemanyagcellák használata lakóépületekben

93 Üzemanyagcella táplálása földgázzal

94 Példa egy üzemanyagcellán alapuló családi energiaellátó központra Nettó villamos teljesítmény: 2 kw e Nettó villamos hatásfok: 28% - 32% Nettó hőteljesítmény: 5 kw th Összhatásfok: 76% - 85%

95 Üzemanyagcella alapú kogenerációs rendszerek alkalmazása Tüzelőanyagok Villamosenergia termelés hatásfoka Hőhasznosítás hatásfoka Összhatásfok Károsanyag emisszió Alapvetően Hidrogén Hidrogén forrása lehet pld. földgáz ~ 30% 45% - 55% 75% - 85% Nincs, csak H 2 O, párhuzamosan CO 2 Gazdaságosság Alkalmazás Még nem elterjedt, részben még fejlesztés alatt Az elérhető rendszerek drágák Kis és közepes teljesítményű rendszerekben

96 Tri-generációs rendszerek Kombinált hő, hűtés és villamosenergia termelés: Lehetőséget teremt nyári időszakban a hőenergia hasznosítására Ezzel jelentősen javítható az éves energiahasznosítás hatásfoka

97 Tri-generáció abszorpciós hűtő alkalmazásával Abszorpciós hűtő alkalmazásával a hőenergia hűtésre, vagy klimatizálásra is hasznosítható. A rendszerek NH 3 -H 2 O, vagy újabban LiBr-H 2 0 közegpárokkal üzemelnek. A hőforrás minimális hőmérséklete jelenleg 70ºC - 80ºC tartományban van. A jelenleg elérhető rendszerek teljesítmény tényezője: COP = Q cool /P e = = 0,6-0,8 tartományban alakul.

98 Kompresszoros és abszorpciós hűtés összehasonlítása Teljesítmény tényező Hűtőteljesítmény Energia bevitel Energia felvétel Abszorpciós hűtés 0,6 0,8 1 kw hőenergia 1,3 1,7 kw Kompresszoros hűtés kw villamos energia 0,25-0,33 kw

99 Tri-generáció ejektor ciklussal Teljesítmény tényező hasonlóan alakul az abszorpciós hűtéshez. COP = 0,6 0,8 Ha nincs hűtési igény, villamosenergia is termelhető.

100 Az ejektor működési elve.

101 A különböző rendszerek műszaki és gazdasági összehasonlítása

102 Illesztés az igényekhez Hatékony kogeneráció akkor érhető el, ha az összhatásfok megfelelően magas érték. Ehhez az szükséges, hogy a rendelkezésre álló hő minél nagyobb arányban hasznosításra kerüljön. A rendszer működését illeszteni kell a hőigények alakulásához. Erről célszerű szabályozni ateljesítményt. A villamosenergia termelés alárendelt legyen. A mindenáron való villamosenergia termelés erőltetése pazarláshoz vezet. Végül, de nem utolsó sorban a gazdaságosságot is szem előtt kell tartani.

103 Fűtési és klímatizálási igény változása az év során

104 A fűtési idény terhelési tartamdiagramja

105 Időszakra vonatkozó hőigény és tüzelőanyag fogyasztás Q & igény = MI Q Q& ( t t ) belső méretezési min. külső HDD [kwh] igény Btüz. a = H ηkazán [kg, or m 3 ] ahol: Q igény [kwh] Időszakra von. energia igény B & [kg, vagy m 3 ] Időszakra von. tüzelőanyag fogy. tüz.a. MI [h/nap] Működtetés időtartama MI=24 folyamatos működés esetén Q & méretezési [kw] maximális (méretezési) teljesítmény HDD [ºC day] Időszakra von. napfok érték ( HDD = ( t belső tmin. külső )) napok (Forrás: t belső [ºC] belső hőmérséklet t min.külső [ºC] minimális külső (méretezési) hőmérséklet H [kwh/kg, or kwh/m 3 ] tüzelőanyag fűtőértéke η kazán [-] kazánhatásfok

106 Teljes energiaellátó rendszer ORC-vel

107 Kogenerációs rendszer illesztése a hőigényekhez

108 Kisteljesítményű egy, vagy néhány lakás ellátására alkalmas kogenerációs rendszerek Jelenleg elterjedt technológiák: Mikro-gázturbina Belsőégésű motor Terjedőben lévő, fejlesztés alatt álló technológiák: ORC rendszer Külső tüzeléses gázturbinák Stirling motor Üzemanyag cella

109 Kisteljesítményű rendszerekben történő alkalmazás 140 kw tüzelési teljesítményig a telepített rendszerekre nincsenek emissziós előírások érvényben Magyarországon A hatásfok és emissziós követelményeket a beépített készülékek minőség tanusítása garantál(hat)ja!? Engedélyeztetés: - Építési engedély - pld. épített kéményhez - Kéményseprő eng. füstgázelvezetés, légellátás - Tüzelőanyag ellátás pld. gázellátás - Villamos rendszerre rákötés ad-vesz mérő, csak saját felhasználás esetén is kell a hálózatszennyezés elkerülésére (frekvencia és felharmonikusok tartása). Pályázati lehetőségek!!! - Árajánlat, vagy megtakarítás számítás szükséges

110 Közepes teljesítményű, lakóparkok, közösségi épületek, irodák, bevásárló központok ellátására alkalmas rendszerek Jelenleg elterjedt technológiák: ORC rendszer Gázturbina Belsőégésű motor Terjedőben lévő technológiák: Külső tüzeléses gázturbina Stirling motor Üzemanyag cella

111 Közepes teljesítményű rendszerekben történő alkalmazás 140 kw tüzelési teljesítmény felett a telepített rendszerekre emissziós előírások vannak érvényben Magyarországon A hatásfok és emissziós követelményeket a szállító kell, hogy garantálja. A különböző országokban eltérő határértékek vannak. Engedélyeztetés: - Megvalósíthatósági tanulmányterv - Környezeti hatástanulmány, környezetvédelmi engedély - Építési engedély - Tüzelőanyag ellátás pld. gázellátás - Villamos rendszerre rákötés ad-vesz mérő, csak saját felhasználás esetén is kell a hálózatszennyezés elkerülésére (frekvencia és felharmonikusok tartása). - Egyéb szakhatósági engedélyek. Pályázati lehetőségek!!! - Megvalósíthatósági tanulmányterv szükséges

112 Összefoglalás Megismerkedtek A kapcsolt energiatermelés előnyeivel Kapcsolt energiatermelés különböző megoldásaival - gőz-körfolyamattal - ORC rendszerrel - gáz-turbinával - belsőégésű motorokkal - Stirling motorral - üzemanyag cellával Tri-generációval A kogeneráció alkalmazásának illesztési kérdéseivel

113 Köszönöm a figyelmet! Dr. Lezsovits Ferenc Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék