Ermvek energetikai folyamatai Budapesti Mszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapesti Ermvek 2008/09 I. f.év 2009 október 1. Katona Zoltán zoltan.katona@eon-energie.com Tel.: 06-30-415 1705 Katona Z, 2008. 1
Villamos energia termelés - közvetetten Kémiai reakció: fosszilis, biomassza tüzelanyagú ermvek Nukleáris reakció: atomermvek Villamos energia termelés - közvetlenül Fotovoltaikus: naperm Mechanikus energia: vízermvek, szélermvek, ár-apály ermvek Kémiai reakció: tüzelanyag cella A fosszilis tüzelés ermvek, atomermvek, vízermvek és sokkal kisebb mértékben a biomassza tüzelés ermvek adják a világ és így Magyarország villamos energia termelésének csaknem egészét! Katona Z, 2008. 2
Szükség van a htermelés közbeiktatására! A villamos energia termelési folyamatok ezért alapveten htani folyamatok! Fosszilis tüzelanyagok: Szén, földgáz, olaj tüzlés ermvek Fosszilis tüzelanyagok henergia Mechanikus energia villamos energia Kazán / GT égtér /gázreaktor gáz /gzturbina generátor Nukleáris ftelemek: Atomermvek: Nukleáris ftelem henergia Mechanikus energia villamos energia reaktor gáz /gzturbina generátor Katona Z, 2008. Csak a hforrás szempontjából különböznek! 3
Kémiai energia henergia füstgáz átalakítás H mechanikai munka átalakítás Mechanikai munka villamosenergia átalakítás villamos energia tüzel- anyag Kazán Gzturbina égési leveg Generátor villamos energia Htközeg környezeti hmérsékleten Kondenzátor Katona Z, 2008. 4
Forrás: Fossil fuel innovation, Professor Stephen Lawrence Leeds School of Business University of Colorado at Boulder Katona Z, 2008. 5
Földgáz (157 C, 36 bar) leveg 730 MW 100% tartalék olaj η = G T 283 MW gázturbina 39% G / G η = 440 MW 60% 581 C P P Q G T G T ü 385 MW 53% + Q 150 MW gzturbina 22% K E ü P 50 MW 7% 84 C 39% G 7 MW el 433 MWel 433 MW el 59% 227 MW 31% 425 MWel 425 MW el Duna Katona Z, 2008. 6
Katona Z, 2008. 7
! "!# Katona Z, 2008. 8
Katona Z, 2008. 9
! " Katona Z, 2008. 10
$ Katona Z, 2008. 11 J. B. Kitto Babcock and Wilcox, Technology Development for Advanced Pulverized Coal Fired Boilers
% " Katona Z, 2008. 12 http://www.fossil.energy.gov/education/energylessons/coal/coal_cct4.html Ludquist at al: Major step forward the supercritical CFB boiler, PowerGen 2003
& Katona Z, 2008. 13
Cél: gazdaságosság növelése Tüzelanyagköltség csökkentés - hatásfok növeln velés Beruházási költség csökkentés (legkisebb mérték növelése) Egyéb üzemeltetési és karbantartási költség csökkentés Bevétel maximalizálás (pl. rendelkezésre állás növelése) Katona Z, 2008. 14
' T K S K =const T 1 E 2 S E =const vill T 2 1 q q P η η be el vill vill = T = T 1 2 s 1 T = 1 T 1 s 2 = q1 q Pvill = q 2 Cél: a hbevezetés átlaghmérsékletét növelni a helvonás átlaghmérsékletét csökkenteni Katona Z, 2008. 15 S
# # ( # T T 1 4 q be 1 Körülzárt terület nem azonos az egységnyi közegbl kinyerhet munkával!! T 2 3 q el 2 s 1 s 2 s η = 1 q q el be T2 s2 T = 1 = 1 T s T Katona Z, 2008. 16 1 1 2 1 ρ
)" # *! +, K É 1600 T p = p 2 =p 3 = 24 bar Q. 3 3 3 áll. T a kompresszor bels irrevezibilitásai Hmérséklet, K 1400 nyomáscsökkenés a hközlés 1200 p során 2 2 1 1000 800 600 400 200 2* 1* 2 1 q be p 1 b e q el 4* 4 4 p 4 a turbina bels irrevezibilitásai p 1 =p 4 = 1 bar p = áll. 5* 0 nyomásellenállás a kilépésnél 0 0 500 1000 nyomásellenállás a leveg beszívás során Fajlagos entrópia, s, J/ (kgk) Ṡ Katona Z, 2008. 17
)" # T T 1 1 p 1 T 1s 3 T 2 2` 2 o s Katona Z, 2008. 18
- #" ". expanzió kezdeti paraméterének növelése: gz paraméterek növ. vagy CCGT újrahevítés kondenzátor-nyomás csökkentése tápvízelmelegítés Katona Z, 2008. 19
% " #.! T T 1 1 3 T 1s T 2 p 1 p 1 körfolyamat hatásfoka: javul, mert a hbevezetési középhmérséklet n, 2` 2 o s Katona Z, 2008. 20
% " #.! T T 1s T 1 1 p 1 T 1 körfolyamat hatásfok: nagymértékben javul, mert a hbevezetés átlagos hmérséklete jelentsen n 3 T 2 2` 2 o s Katona Z, 2008. 21
/.! T T 1 T uo T 1u körfolyamat hatásfok: nagymértékben javul, mert a hbevezetés átlagos hmérséklete jelentsen n T no T 2 Katona Z, 2008. 22 s
$. P= 250 bar (>221 bar) T= 560 C körfolyamat hatásfok: nagymértékben javul, mert a hbevezetés átlagos hmérséklete jelentsen n Katona Z, 2008. 23
.! hermetikus tér T Legjobb megoldás: gzszárítás + kétfokozatú túlhevítés Katona Z, 2008. s 24
+!! 1 T 1 n e 2 2' n e 2' 2 s Katona Z, 2008. 25
0" *, T T 1s T 1 1 p 1 körfolyamat hatásfoka: javul, mert a helvezetés átlagos hmérséklete csökken, 3 T 2 2` 2 o s Katona Z, 2008. 26
0" 1#" " 2 "!3 " K H S Z tenger folyó tó K leveg póthtvíz HS Z leveg FKSZ HS Z Katona Z, 2008. 27
0" 1#" " " 2 " Katona Z, 2008. 28
1 T S 1 Gázkörfolyamat: magas hbevezetési középhmérséklet T 1 kilép hmérséklet: 500 600ºC T 2 Gzkörfolyamat: alacsony helvezetési középhmérséklet S 2, a S 2, b S Katona Z, 2008. 29
4 Gzkazán: széntüzelés (olaj, földgáz) Széntüzelés: szénpor és fluidtüzelés IGCC Nedvesgzös atomerm Kombinált ciklusú erm Kapcsolt energiatermelés Katona Z, 2008. 30
4 2 5 Gõzkörfolyamat Hûtõvíz gõz GF kazánvíz GT NE K póttápvíz GTT KE tápvíz fõcsapadékvíz KT csapadékvíz Katona Z, 2008. 31
4 1.! Katona Z, 2008. 32
4 1 & % 6 ' Katona Z, 2008. 33
4 1 )'' Katona Z, 2008. 34
4 2 Katona Z, 2008. 35
4 1 ''+ Katona Z, 2008. 36
4 2 Katona Z, 2008. 37
$ #. USA IGCC fejlesztés 166 üzem világszerte Cél: 250 MW-ról 600 MW-ra, 42% hatásfokról 48%-ra. 15-20%-al magasabb CAPEX mint szénportüz (1400 USD/kW). Cél: Zeró emisszió Eu Szénportüzelés USC ermvek Több mint 400 szuperkritikus erm Jelenleg: 45 % hatásfok, cél: 50%+ Hmérséklet növelési cél: 700/720 C, 350 bar Nyomásnövelési cél: 649 C, 414 bar Szuperkritikus CFBC ermvek Jelenleg: szubkritikus 300 MW (2002, USA) Építés alatt: 460 MW, 43% Katona Z, 2008. 38 Hatásfokok: nettó, (alsó) ftérték bázison
$ Kényszeráramlású (egycsöves) kazánok Szuperkritikus kazánok Katona Z, 2008. 39
7 8 9 :. Kazán Nickel bázisú anyagok: tztérfal (HCM12, In 617), Nickelalapú szerkezeti anyagok Nagy méret szelepek túlhevítk (Ausztenit + In 617, 740), kilép kamrák frissgzvezeték (In 617, C263), fgzszelep (In 625, In 617), Turbinaház (In 625, In 617), turbinarotor (In 625, In 617) anyagtulajdonságok (kúszás), gyártási és hegesztési tulajdonságok, füstgázkorrózió, hátadási tulajdonságok gzturbina 600 C-os technológia hatásfoka: 45,4% 700 C-os technológia hatásfoka: 50% Katona Z, 2008. 40
- ; " 140.0 költség 43 % hatásfokra vetítve 120.0 100.0 + 2.5 % + 5.5 % + 20-30 % 80.0 X20 60.0 43 % 45 % 47 % 51 % Katona Z, 2008. 41 P91 Ausztenites acél Ni ötvözetek
$ '% 6 ' MW e Második Generációs kazán Els Generációs kazán Katona Z, 2008. 42 Forrás: S. J. Goidich at al: Design Aspects of the Ultra-supercritical CFB Boiler, 2005
$ '% 6 ' Szénportüzeléssel akar versenyezni: erm méret és hatásfok Lagisza projekt, PKE, feketeszén Foster Wheeler típus (kompakt szilárd leválasztók) 460 MWe, kényszerátáramlású (OTU) 275 bar, 560 C/580 C Siemens Benson technológia Konvencionális szerkezeti anyagok. Nettó hatásfok 0,4%-al magasabb (PC hasonló gzparaméterekkel) Rugalmas tüzelanyagválasztás (pl. max. 30% nedves széniszap) Katona Z, 2008. 43
0 < Katona Zoltán zoltan.katona@eon-energie.com Tel.: 06-30-415 1705 Katona Z, 2008. 44
- Katona Z, 2008. 45
$ Kína Oroszország Világ Németország Jöv technológiája Katona Z, 2008. 46
*, = ') > 8 8? Katona Z, 2008. 47
6 *> 8 8 > #, Katona Z, 2008. 48
$ Katona Z, 2008. 49
@ 8 8 A'1 4 BC 2 D 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2006 Folyamatban levl R & T programok 20-30 M COMTES700 erm 400 MW 700 C erm üzemeltetése Katona Z, 2008. 50