Energetika II. Házi dolgozat Elszigetelt helyek energiarendszerei Készítette: Kukucska Tamás 2012.04.11. 1
Elszigetelt helyek és azok energiarendszerei Azon külvilágtól elszigetelt települések, melyek nincsenek, illetve nem lehetnek a villamos energia rendszerrel összekötve, az általuk igényelt villamos energiát döntő többségben dízelmotoros generátorokkal állítják elő. Ez a módszer viszont rossz hatásfokú és drága, mindezek mellett nem elhanyagolható a folyamat során a szén-dioxid kibocsátás Kanadát például véve (Ausztrália mellett itt is találkozhatunk a már említett elszigetelt helyekkel) ez a kibocsátás meghaladja az 1.2 millió tonnát! A kanadai és ausztráliai elszigetelt helyek nagy része tengerparti, ahol jelentős szélenergia potenciál áll rendelkezésre. Ennek felhasználásával számottevően csökkenthető az energia fajlagos költsége, mindemellett az ellátásbiztonság is javítható, mivel a szél lokális energiahordozó. Egy másik megoldás a napenergia felhasználása. A napenergia segítségével kiváltható a tüzelőanyag bevitel egy része, ezzel gazdaságosabbá tehető az energiatermelés. A fotovoltaikus elemekkel is hasonló hatás érhető el, mint a szélenergia felhasználásával. Megoldások 1., Szélenergia felhasználása a rendszerben Legjobban egy ábrával bemutatható [2]: Aktív szél esetén a szélgenerátorok előállítják a szükséges villamos energiát a többlet pedig meghajtja a kompresszort amiből egy ideiglenes tárolóba jut a levegő. Innen igény szerint felhasználható a levegő a dízelmotor feltöltéséhez vagy egy kisnyomású turbinán expandálva energiatermelésre (különféle módokról később), a rendszer így és a dízelmotor segítségével a szélcsendes időszakban is ellátja az energiatermelési feladatokat. Ezzel a megoldással nem redukálható nullára a károsanyag-kibocsátás, nem fúj mindig a szél, de a csökkenés mértéke jelentős. Ezek mellett energiatárolási célokat is el tud látni a rendszer levegőtárolással, így ideális esetben működhet tisztán megújuló energiaforrással. 2
2., Napenergia felhasználása a rendszerben A napenergia felhasználásának két számunkra lényeges módja van: a) [3] a) Koncentrált napsugárzással a tüzelőanyag-bevitel csökkentése b) Fotovoltaikus elemek használata Amint az az ábrán is látható a rendszer egy sima Brayton körfolyamatra épül, az eltérés az, hogy van még egy hő bevitel a tüzelés előtt. Ezzel lényegében a rendszer időjárás-független, maximum az üzemanyag bevitelt kell módosítani. Ez teszi lehetővé, hogy akár erőműi nagyságrendben is használhatóvá váljék. A turbina utáni gőz körfolyamat beillesztésével akár kapcsolt energiatermelésre is alkalmassá válik megújuló energiaforrás igénybevételével! Hátránya a másik két rendszerrel szemben, hogy ideális esetben is kell tüzelőanyagot bevinni, csupán napenergiával a rendszer nem üzemeltethető. Ez a megoldás is lehetőséget ad korlátolt mennyiségben energiatárolásra, speciális só oldatok segítségével. b) [1] 3
Ez a rendszer inkább hasonlít a szélenergiára épülő megoldásra, mivel a napelemek által termelt villamos energia a villamos igények ellátása mellett meghajtja a kompresszort és feltölti a levegőtartályokat. Ha nem elegendő a napsugárzásból nyert villamos energia, a tárolt túlnyomásos levegőt felhasználva, azt expandáltatva előállítható a szükséges mennyiség vagy legalább jobb hatásfokkal üzemeltethető a dízelmotor. (A felhasználás módjairól később.) A rendszer ugyanúgy elláthat energiatárolási feladatokat hasonló a módszerrel, mint a szélenergiára épülő bemutatott rendszer. Hátránya, hogy az esetek többségében nem elég a csupán napenergiából nyert villamos energia, mivel a szélgenerátorral szemben a fotovoltaikus elemek még igen kiforratlan technológiát képviselnek, és persze jóval drágábbak is. Tárolt komprimált levegő felhasználási módjai 1, Egy tengelyű rendszer [2] A tároló tartályból kilépő levegőt először a dízelmotor hűtővize, majd a turbinából kilépő füstgáz melegíti, ezután expandál a kisnyomású turbinán, amely egy tengelyen van a dízelmotor kompresszorával és turbinájával. Ez a közös tengelyű megoldás nagy nyomatékot biztosít a tengelyen, amivel növelhető a kompresszor nyomásviszonya, tehát nő a motor hatásfoka. Emellett az előmelegítési rendszer (hűtővíz majd a füstgáz) is jelentősen növeli a hatásfokot. Továbbá nem igényel nagy átalakításokat a dízelmotorban, a motor lényegében függetlenül működhet a levegőturbinától, mivel semmilyen kulcsfontosságú részét nem érinti a második turbina leállása (maximum a kompresszor nyomásviszonya csökken és ezzel együtt motor hatásfoka). 2, Kétlépcsős turbina-kompresszor rendszer [2] A tárolóból kilépő túlnyomásos levegőt ezen rendszernél is a motor hűtővize majd a kilépő füstgáz melegíti, azonban a turbina, amin a levegő expandál egy kisnyomású kompresszort hajt meg. Ezzel a módszerrel elérhető, hogy a kis- és a nagynyomású rendszer különböző fordulatszámtartományban működjön, sőt ha nem elérhető a levegő tartály, anélkül is tud működni. Az eredő hatásfok jelentősen függ a kisnyomású turbina és kompresszor hatásfokától. 4
3, Tárolt levegő közvetlen felhasználása a motorban [2] A tárolt levegőt ugyancsak a hűtővíz és a füstgáz melegíti, azonban ahelyett, hogy egy turbinán expandálva tengelyteljesítményt hozna létre, a meleg túlnyomásos levegőt teljes egészében a dízelmotor feltöltésére használjuk. Előnye ennek a megoldásnak egyszerűsége, csak egy turbina van, amivel csökkenthetőek a veszteségek, kisebb költségek jellemzik és viszonylagos egyszerűség sem elhanyagolható. 4, Kiegészítő tüzeléses rendszer [2] Ez a folyamat az első kettőre hajaz azzal a kivétellel, hogy a tárolt levegőt egy második égőtérben történő tüzeléshez használják fel. Az itt keletkezett füstgázt keverjük hozzá a dízelmotor égéstermékéhez és ez a keverék expandál a turbinán. Szükség van továbbá egy megkerülő vezetékre a kiegészítő égéstér után, hogy fent lehessen tartani a közel állandó nyomást a turbinán. Ez a legdrágább rendszer a kiegészítő tüzelés miatt és a hatásfok csökkenés is jelentős (ugyancsak a kiegészítő tüzelés miatt és a turbinából kilépő füstgáz hőmérséklete is jóval magasabb, mint az előző megoldásoknál). Előnye a többi rendszerhez képest a nagyobb rendelkezésre álló teljesítmény. A négy kapcsolás összehasonlítása [2]: Kritérium Súlyozás 1. rendszer 2. rendszer 3. rendszer 4. rendszer Hatásfok 0,2 0,8 0,7 0,6 0 Egyszerűség 0,225 1,125 0,675 1,2375 0,3375 Dízelmotorhoz való adaptivitás 0,225 1,125 0,9 1,0125 0,7875 Költségek 0,125 0,625 0,5 0,6875 0,125 Szabályozhatóság 0,125 0,5625 0,375 0,625 0,1875 Megbízhatóság 0,1 0,45 0,45 0,3 0,6 Összesen 1 4,6875 3,6 4,4625 2,0375 Helyezés 1 3 2 4 5
A táblázat alapján könnyen felismerhető, hogy a legjobb két összeállítás az első és a harmadik megoldás. Mindkettőnek vannak előnyei és hátrányai, viszont az egytengelyű rendszert jellemzi a nagyobb hatásfok, a már meglévő dízelmotorhoz való könnyebb igazítás és a jobb megbízhatóság dönti el a versenyt. Ugyancsak ezt a rendszert erősíti a kiterjedt teljesítmény tartományban való működési képesség, a kiegészítő égéstérrel rendelkező rendszerhez közeli maximális teljesítménytől a sima dízelmotoros üzemben való működés. - Nagy terhelés esetén a sima dízelmotor nem tudna elég teljesítményt a hálózatba bocsátani, ilyenkor van szükség a második turbina teljesítményére is. - Kis terhelés esetében pedig a dízelmotor működhet optimális üzemben, vagy ha a hibrid rendszer másik fele (szélgenerátorok/napelemek) elég energiát termel akár csak minimális terhelésen is (a teljes leállás az időjárás kiszámíthatatlansága miatt nem ajánlott). - Minimális terhelés esetén töltjük fel a levegő tározókat. Itt kiemelendő, hogy rendszer felfutási ideje minimális. A komprimált levegőt egy szelep segítségével közvetlenül a hengerekbe lehet irányítani és így indítható a motor, majd a névleges fordulatszám elérésekor a szelep zárható és rendszer máris optimális üzemben működhet. Összefoglalás Mindhárom bemutatott rendszer alkalmas a villamosenergia-rendszertől elzárt fogyasztók ellátására megújuló energiaforrások felhasználásával vagy azok nélkül - hatásfokilag azonban jóval különbözőek az eltérő üzemmódok - azaz lényegében függetlenek az időjárástól. Tekinthetőek akár energiatárolási rendszereknek, a fotovoltaikus és a szélenergia rendszer levegőtározós energiatárolásnak, a koncentrált napsugárzásra épülő rendszer pedig üzemeltethető különféle sókkal, amik alkalmasak hőenergia tárolására. Hátrányuk a jelenleg nagy beruházási költség, mivel nem csak egy sima energiatermelő egység, hanem hibrid rendszer, azaz mindkét technológiára szükség van, ezeket be kell építeni. Tekinthetünk rájuk, mint a következő lépcsők a környezetkímélő villamosenergiatermelésben a tisztán megújuló energiák felhasználása felé, hasonlóan a hibrid autókhoz ezek a rendszerek sem zéró-kibocsátásúak, de optimális üzemben jelentősen csökkenthető a környezetszennyezés mértéke. A megújulókkal ellentétben a csúcsigények kielégítése sem okoz akkora problémát és kedvezőtlen időjárás esetén sem omlik össze a rendszer. Természetesen a bemutatott rendszerek nem képesek kiváltani a jelenlegi villamosenergiatermelő egységeket, mivel csak jóval kisebb méretekben alkalmazhatóak (kivéve a koncentrált napsugárzásra épülő rendszert). Lényegében ezek ideális modellnek a nagyipari megújuló és energiatárolós rendszer megépítéséhez, és kezdőlépésnek tökéletesek az új, fenntartható Világ felé. 6
Források: [1]Integrated PV and gas-turbine system forsatisfying peak-demands Article history: Received 11 November 2002; accepted 10 February 2003 J.O. Jaber, S.D. Odeh, S.D. Probert [2]Study and design of a hybrid wind diesel-compressed air energy storage system for remote areas Article history:received 21 March 2009 Received in revised form 2 October 2009 Accepted 22 October 2009 Available online 20 November 2009 H. Ibrahim, R. Younčs, A. Ilinca, M. Dimitrova, J. Perron [3]Solar gas turbine systems: Design, cost and perspectives Article history: Received 26 August 2004; received in revised form 27 September 2005; accepted 29 September 2005 Available online 2 November 2005 Peter Schwarzbözl, Reiner Buck, Chemi Sugarmen, Arik Ring, Ma Jesús Marcos Crespo, Peter Altwegg, Juan Enrile Előtanulmányok: BMEGEENAV01 Energia-Történelem-Társadalom - Dr. Jászay Tamás, Dr. Bede Gábor BMEGEENAEE1 - Energetika I. - Dr. Ősz János, Sándor Csaba BMEGEENAEE2 - Energetika II. - Kaszás Csilla Katinka, Dr. Ősz János BMEGEENAEGK - Kalorikus gépek - Dr. Penninger Antal, Dr. Maiyaleh Tarek BMEGT429304 - Az energiagazdálkodás környezeti menedzsmentje - Pálvölgyi Tamás dr. BMEGEENAEGT - Energetikai gazdaságtan - Gács Iván Dr., Kaszás Csilla Katinka 7