Megújuló energiaforrások Tematikát kidolgozta: Dr. Kullmann László Előadó: Csizmadia Péter - csizmadia@hds.bme.hu 1111, Budapest, Műegyetem rkp. 3. D ép. 3. em Tel: 463 16 80 Fax: 463 30 91 www.hds.bme.hu
Áttekintés Bevezetés Nyílt felszínű áramlás, energiaviszonyok Vízerőművek (példák) Turbina típusok Gyakorlati problémák Törpe vízerőművek, PAT
1. Előadás
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
Bevezetés
Bevezetés Vízerőművek által termelt villamos teljesítmény (2010) Forrás: hydropower.org
Bevezetés A legtöbb vízenergiát hasznosító országok Forrás: WVIC
Bevezetés Energiaátalakítási költségek Forrás: WVIC
Bevezetés Éves kapacitásbővítés világszerte
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!
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 2 2 2 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
Leíró egyenletek A K R h = A K (jegesedés problémája!) 2 2 dy Q B dy Q Kapott egyenlet: i + = 0 3 2 2 dx g A dx A C R h dy dx = i A 2 Q C Q 1 g 2 2 2 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
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
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
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
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)
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)
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
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)
Vízerőművek főbb típusai turbinák a) b) duzzasztómű c) d) a) öblözetbe épített b) szigetszerű c) megosztott d) pillérbe épített
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
Turbina típusok Pelton turbina Francis turbina Kaplan turbina
Turbina típusok Bánki turbina
Történelem Római kori függőleges tengelyű vízkerék (Kr. u. 114)
Bánki turbina
Bánki turbina
Kaplan turbina Reakciós turbina, max. teljesítmény: ~150 MW Fordulatszám: n = 80 430 1/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
Kaplan turbina Működési elv Forrás: Wikipedia
Kaplan turbina (függőleges)
Kaplan turbina (csőturbina)
Kaplan turbina
Kaplan turbina
Francis turbina Reakciós turbina, teljesítmény: 50-750 MW Fordulatszám: n = 60 450 1/min Lassú járású: 60 125 1/min Normál járású: 125 225 1/min Gyors járású: 225 450 1/min Általában vezetőlapátokat alkalmaznak Közepes esés, közepes vízhozam
Francis turbina Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2 nd edition, Oxford University Press, 2003
Francis turbina
Francis turbina
Francis turbina
Francis turbina Maximális térfogatáram (Qmax) Minimális térfogatáram (Qmin)
Francis turbina
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 (15 1800 m), kis vízhozam (20 8000 liter/sec) Hatásfok 85 90% körül
Pelton turbina Pelton eredeti szabadalma (1880)
Pelton turbina Működési elv Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2 nd edition, Oxford University Press, 2003
Pelton turbina
Pelton turbina
Pelton turbina
Pelton turbina
Fenékküszöb Kőrösnagyhartyáni fenékküszöb
Fenékküszöb
Fenékküszöb
Gereb szűrőrács
Csőturbinás erőmű
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)
Oului erőmű, gát
Oului erőmű, zsilipek
Oului erőmű, zsilipek
Oului erőmű, árvíz
Oului erőmű
Oului erőmű, elektromos bekötés
Oului erőmű, lazaclépcső
Oului erőmű, lazaclépcső
Oului erőmű, Kaplan turbina
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 1948. 5. 24-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 35 000 háztartás villamosenergiaellátására elegendő. A turbina változtatható szárnyú (lapátszögű) Kaplan-típusú vízturbina, amit a tamperei vászon és vasipari üzem gépműhelyében építettek, Tamperében, 1947-48-ban.
2. Előadás
Magyarország vízerőkészlete Az ország területének ~2/3-a 150 méter alatt, ~1/3 rész 150-400 méter között, csupán 3% hegyvidék Vízhozamok: Duna: 600-10000 m 3 /s Tisza: 90-4500 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.
Magyarország vízerőkészlete Hazai folyók elméleti vízerőkészlete (forrás: Lakatos-Ötvös-Kullmann: A hazai vízenergia potenciál elméleti és reális értékeinek közelítő meghatározása, Energiagazdálkodás, 45(6), 2004)
Magyarország vízerőkészlete
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
Bős-Gabčíkovoi erőmű
Bős-Gabčíkovoi erőmű Adatok Vízhozam: ~4000 m 3 /s Esés: 12 24 m Nyolc függőleges Kaplan turbina, egyenként 90 MW Összes teljesítmény: 720 MW Évente 2600 GWh energia Szlovákia villamos energiafogyasztásának 8%-a
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) 1988-89-ben sorozatos tüntetések a vízlépcső megépítése ellen 1989 május: az építkezés felfüggesztése magyar oldalról, hosszas viták Csehszlovákiával
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. 1992 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. 1997 szeptember 25: a Nemzetközi Bíróság elítélte mindkét felet különböző jogsértésekért. Részletes iránymutatás a továbbiakról. 1997-től napjainkig: folyamatos egyeztetések a továbbiakról, nincs végleges megoldás
Bős-Gabčíkovoi erőmű
Bős-Gabčíkovoi erőmű
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
Tiszalöki erőmű (Tisza I.)
Tiszalöki erőmű (Tisza I.)
Tiszalöki erőmű (Tisza I.)
Tiszalöki erőmű (Tisza I.)
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)
Kiskörei erőmű (Tisza II.)
Kiskörei erőmű (Tisza II.)
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
Kesznyéteni erőmű
Kesznyéteni erőmű
Ikervári erőmű Adatok Magyarország első vízerőműve, 1895-96-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
Ikervári erőmű
Ikervári erőmű
Ikervári erőmű
Three Gorges vízerőmű (Kína)
Three Gorges vízerőmű (Kína) Adatok A világ legnagyobb vízerőműve, kilenc év alatt épült fel teljesen Vízhozam: ~116000 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
Three Gorges vízerőmű (Kína)
Three Gorges vízerőmű (Kína)
Three Gorges vízerőmű (Kína)
Zsiguli vízerőmű (Oroszország) Adatok 1950-57-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
Zsiguli vízerőmű (Oroszország)
Zsiguli vízerőmű (Oroszország)
Jellemző fordulatszám 4 3 2 1 opt opt q H Q n n = π ω 2 60 ; 8, = = n H P Q villamos h tudjuk: Átírhatjuk: 4 5/, 4 3, 2 15 8 2 60 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
Jellemző fordulatszám η opt (%) 100 Pelton Francis Kaplan 90 80 0,1 1 10 n ω n q nő Pelton Bánki Francis Kaplan
Turbina típusok
Turbina típusok
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
Sebességi háromszögek (Francis turbina) Belépés Kilépés c 1 c 2 w 1 w 2 u 1 u 2 Vezetőlapátok Járókerék
Sebességi háromszögek (Kaplan turbina) Belépés Kilépés c w 1 1 c w 2 2 u 1 u 2
Sebességi háromszögek (Bánki turbina)
Sebességi háromszögek (Pelton turbina)
Sebességi háromszögek - mind Bánki Pelton Francis Kaplan
3. Előadás
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
Üzemi jelleggörbék Q = felület sebesség így D 2 Q Q = 2 H 1 11 1 = 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
Üzemi jelleggörbék P bev = Q ρ g η H ~ D 2 H H P 11 = D P 2 bev H 3 2 M 2 3 2 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!
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
Kavitáció, szívóképesség A víz fázisdiagramja
Kavitáció, szívóképesség
Kavitáció, szívóképesség Kavitációs buborékok mikrojetek kialakulása
Kavitáció, szívóképesség 2 S
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 + = + 0 + ρg 2g ρg 2g + h szívócső p 2 = p 0 ρgh s ρ 2 ( ) 2 2 2 c c + h = p ρgh KQ 2 S szívócső 0 s
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.
Kavitáció, szívóképesség
Kavitáció
Kavitáció
Kavitáció
Kavitáció - példák Pistol crab : pisztolyrák, kavitációs buborékkal sokkolja áldozatát
Kavitáció - példák Vadászat a Vörös Októberre
Törpe vízerőművek, PAT (Pump As Turbine)
Törpe vízerőművek, PAT
Törpe vízerőművek, PAT
Törpe vízerőművek, PAT
Törpe vízerőművek, PAT
Törpe vízerőművek, PAT
Szivattyús vízenergia rendszer Forrás: Boyle, Renewable Energy, 2 nd edition, Oxford University Press, 2003
Szivattyús vízenergia rendszer Zöld: szivattyú üzemmód (töltés) Piros: turbina üzemmód (kisütés) Forrás: Wikipedia
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
További megoldások Hullámerőmű (Wells turbina: széliránytól függetlenül egy irányba forog, átpattan a lapátozás )
További megoldások Hullámerőmű
További megoldások Árapály erőmű Dagály Apály
További megoldások Ozmózis erőmű
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)
Turbina szabályzások: Direkt vezérlés Nem elég nagy a szabályozó erő.
Turbina szabályzások Lengésre hajlamos.
Turbina szabályzások: Kaplan turbina
Turbina szabályzások: Kaplan turbina
Turbina szabályzások: Francis turbina
Turbina szabályzások: Francis turbina
Turbina szabályzások: Pelton turbina
Turbina szabályzások: Pelton turbina
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
Köszönöm a figyelmet!