View
8
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
I
OPTIMALNA IZRABA NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE
ENERGIJE
magistrsko delo
Študentka: Urška Novosel
Študijski program: magistrski študijski program 2. stopnje Energetika
Mentor: izr. prof. dr. Jurij Avsec
Somentor: doc. dr. Zdravko Praunseis
Lektorica: Nataša Jenuš, prof.
Krško, september 2013
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Juriju Avscu, somentorju doc. dr. Zdravku
Praunseisu ter asistentki Ivani Tršelič za pomoč pri izdelavi naloge.
Zahvaljujem se tudi staršem in starim staršem, ki so mi vsa leta študija stali ob strani.
Posebna zahvala velja sestri Anji za podporo in spodbujanje.
IV
OPTIMALNA IZRABA NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE ENERGIJE
Ključne besede: izraba nizkoentalpijske geotermalne energije, ORC proces,
termodinamika, alternativna energetika
UDK: 620.92:621.311.24:536.7(043.3)
Povzetek
Dandanes se zelo spodbuja uporaba obnovljivih virov energije za proizvodnjo električne
energije. V magistrskem delu je predstavljen model hibridne elektrarne, ki za proizvodnjo
električne energije uporablja tri različne OVE – geotermalno energijo, sončno energijo in
lesno biomaso. Osnova je ORC sistem. Prvi vir za izkoriščanje je geotermalna energija,
sončna energija in energija lesne biomase pa sta v sistemu kot vira dodatnega toplotnega
toka za dogrevanje delovnega medija. Prikazan je detajlni termodinamični preračun, ki
vključuje toplotne tokove in moči posameznih elementov v sistemu. Podan je
termodinamični izkoristek. Izbrani so tudi elementi in naprave glede na rezultate
preračuna.
V
OPTIMAL USE OF LOW-ENTHALPY GEOTHERMAL ENERGY
Key words: use of low-enthalpy geothermal energy, ORC process, thermodynamics,
alternative energy
UDK: 620.92:621.311.24:536.7(043.3)
Abstract
The use of renewable energy sources for electricity production is nowadays highly
encouraged. The thesis presents a model of hybrid power plant for electricity production
using three different renewable energy sources – geothermal energy, solar energy and
wood biomass. The basis is the ORC process. The first source for the exploitation is
geothermal energy, solar energy and wood biomass are in the system as sources of heat
flow for working medium additional heating. A detailed thermodynamic calculations
involving heat flows and power of individual elements in the system are shown. The
thermodynamic efficiency is also given. Finally, elements and devices are chosen
according to the results of the calculations.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ............................................................................................................................................... 1
2 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE..................................................................................................... 3
2.1 UVOD ................................................................................................................................................. 3
2.2 GEOTERMALNA ENERGIJA........................................................................................................... 3
2.2.1 Lastnosti geotermalne energije ....................................................................................................... 4
2.3 SONCE ............................................................................................................................................... 6
2.3.1 Sončno sevanje ................................................................................................................................ 7
2.4 LESNA BIOMASA ............................................................................................................................. 7
2.5 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE V SLOVENIJI ................................................................................ 8
2.5.1 Nacionalni energetski program (NEP) ........................................................................................... 8
2.6 POTENCIAL OVE V SLOVENIJI ................................................................................................... 10
2.6.1 Potencial geotermalne energije .................................................................................................... 10
2.6.2 Potencial sončne energije ............................................................................................................. 12
2.6.3 Potencial lesne biomase ................................................................................................................ 13
3 IZKORIŠČANJE NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA PROIZVODNJO
ELEKTRIČNE ENERGIJE .................................................................................................................... 17
3.1 UVOD ............................................................................................................................................... 17
3.2 ORGANSKI RANKINOV PROCES ................................................................................................ 19
3.2.1 Shema in termodinamične osnove ................................................................................................. 19
3.2.2 Opis elementov ORC ..................................................................................................................... 21
4 KOMBINIRAN PROCES IZKORIŠČANJA OVE ZA PROIZVODNJO ELEKTRIČNE
ENERGIJE .............................................................................................................................................. 25
4.1 OPIS IN SHEMA SISTEMA ............................................................................................................ 25
4.2 OPIS IZBIRE DELOVNEGA MEDIJA ............................................................................................ 26
4.2.1 Delovni medij: R245fa .................................................................................................................. 27
4.2.2 Bi bila voda primerna za delovni medij? ...................................................................................... 30
4.3 PRIMER IZRAČUNA ORC ............................................................................................................. 30
4.3.1 Potek izračuna .............................................................................................................................. 30
4.3.2 Izračun .......................................................................................................................................... 31
4.3.3 Rezultati in diskusija ..................................................................................................................... 39
4.3.4 Diagram tokov moči ...................................................................................................................... 40
4.4 OPIS IZBIRE SONČNIH KOLEKTORJEV ..................................................................................... 41
VII
4.4.1 Kratek izračun za vakuumske sončne kolektorje ........................................................................... 41
4.4.2 Parabolični sončni kolektorji – korito .......................................................................................... 42
4.4.3 Parabolični kolektor: model PTMx-36 ......................................................................................... 43
4.4.4 Rezultati in diskusija ..................................................................................................................... 45
4.5 SISTEM NA LESNO BIOMASO ..................................................................................................... 46
4.5.1 Retortna peč na lesne sekance ...................................................................................................... 46
4.5.2 Koliko lesnih sekancev potrebujemo? ........................................................................................... 47
4.5.3 Rezultati in diskusija ..................................................................................................................... 50
4.5.4 Koliko CO2 nastane, če bi namesto lesnih sekancev kurili lignit? ................................................ 51
4.6 TOPLOTNI PRENOSNIKI ............................................................................................................... 53
4.7 PARNA TURBINA ........................................................................................................................... 54
4.8 OBTOČNA ČRPALKA .................................................................................................................... 56
5 SKLEP ............................................................................................................................................ 57
VIRI IN LITERATURA.......................................................................................................................... 58
PRILOGE ................................................................................................................................................ 63
5.1 PRILOGA A: PTMX PARABOLIC TROUGH COLLECTOR ........................................................ 63
5.2 PRILOGA B: FUNKE – MODEL SERIES BCF/P, CCF/P, SSCF/P ................................................ 65
5.3 PRILOGA C: SIEMENS STEAM TURBINE SST-111 .................................................................... 66
5.4 PRILOGA D: FLOWSERVE – HWX API 610 (OH3) ...................................................................... 67
5.5 PRILOGA E: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV .................................. 68
5.6 PRILOGA F: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ................................................. 69
VIII
KAZALO SLIK
SLIKA 2.1: GEOTERMALNI GRADIENT V STRUKTURI ZEMLJE [1] ........................................................................................ 5
SLIKA 2.2: TEMPERATURA GEOTERMALNE VODE V GLOBINI 1000 M [10] ....................................................................... 11
SLIKA 2.3: GLOBALNO LETNO OBSEVANJE NA HORIZONTALNO POVRŠINO V SLOVENIJI [12] ................................................. 12
SLIKA 2.4: LESNA ZALOGA V SLOVENIJI [14] .............................................................................................................. 14
SLIKA 2.5: PRIRASTEK GOZDOV V SLOVENIJI [14] ........................................................................................................ 14
SLIKA 3.1: SHEMATSKI PRIKAZ BINARNEGA PROCESA [17] ............................................................................................ 18
SLIKA 3.2: ORC T-S DIAGRAM [21] ......................................................................................................................... 19
SLIKA 3.3: ORC – SHEMA TEHNOLOŠKEGA PROCESA [21] ............................................................................................ 19
SLIKA 3.4: TURBINA/GENERATOR ZA BINARNI SISTEM .................................................................................................. 21
SLIKA 3.5: KONDENZATOR S HLADILNO TEKOČINO ....................................................................................................... 22
SLIKA 3.6: NAPAJALNA ČRPALKA ............................................................................................................................. 23
SLIKA 3.7: UPARJALNIK Z GEOTERMALNO VODO ......................................................................................................... 24
SLIKA 4.1: SHEMA ORC – GEOTERMALNA ENERGIJA, SONČNA ENERGIJA, LESNA BIOMASA .................................................. 25
SLIKA 4.2: T-S DIAGRAM ZA R245FA [28] ................................................................................................................ 28
SLIKA 4.3: P-H DIAGRAM ZA R245FA [29] ................................................................................................................ 29
SLIKA 4.4: POTEK IZRAČUNA ................................................................................................................................... 30
SLIKA 4.5: TOK MOČI V ORC SISTEMU ...................................................................................................................... 40
SLIKA 4.6: ILUSTRACIJA POLJA S PARABOLIČNIMI KORITI [36] ........................................................................................ 42
SLIKA 4.7: SHEMA RETORTNE PEČI [6] ...................................................................................................................... 46
SLIKA 4.8: KOTEL MOČI 10 MW [39] ...................................................................................................................... 51
SLIKA 4.9: SHEMA TOPLOTNEGA PRENOSNIKA S SNOPOM CEVI V PLAŠČU [43] .................................................................. 54
SLIKA 4.10: PARNA TURBINA IN GENERATOR [46] ...................................................................................................... 55
SLIKA 4.11: SIEMENS STEAM TURBINE SST-111 [47] ................................................................................................ 55
SLIKA 4.12: ČRPALKA FLOWSERVE HWX API 610 (OH3) [49] .................................................................................... 56
IX
KAZALO TABEL
TABELA 2.1: SONČNO OBSEVANJE V MURSKI SOBOTI [13] ........................................................................................... 13
TABELA 2.2: KURILNOST (HI = 18,5 MJ/KG) KOT FUNKCIJA VSEBNOSTI VODE (W %) [15].................................................. 15
TABELA 4.1: FIZIKALNE IN TERMODINAMIČNE LASTNOSTI R245FA [26] .......................................................................... 28
TABELA 4.2: VREDNOSTI ZA IZRAČUN geoQ ............................................................................................................. 32
TABELA 4.3: VREDNOSTI ZA IZRAČUN dmm .............................................................................................................. 33
TABELA 4.4: VREDNOSTI ZA IZRAČUN dodQ ............................................................................................................. 34
TABELA 4.5: VREDNOSTI ZA IZRAČUN H4 ................................................................................................................... 35
TABELA 4.6: VREDNOSTI ZA IZRAČUN tW ................................................................................................................. 35
TABELA 4.7: VREDNOSTI ZA IZRAČUN kondQ ........................................................................................................... 36
TABELA 4.8: VREDNOSTI ZA IZRAČUN htm ............................................................................................................... 37
TABELA 4.9: VREDNOSTI ZA IZRAČUN čW ................................................................................................................ 38
TABELA 4.10: ZBRANE VREDNOSTI IZRAČUNOV .......................................................................................................... 39
TABELA 4.11: VREDNOSTI ZA IZRAČUN η ................................................................................................................. 44
TABELA 4.12: VREDNOSTI ZA IZRAČUN P .................................................................................................................. 44
TABELA 4.13: VREDNOSTI ZA IZRAČUN SCEL ................................................................................................................ 45
TABELA 4.14: VREDNOSTI ZA IZRAČUN Q .................................................................................................................. 48
TABELA 4.15: VREDNOSTI ZA IZRAČUN SOBS ............................................................................................................... 49
TABELA 4.16: VREDNOSTI ZA IZRAČUN QS ................................................................................................................. 49
TABELA 4.17: VREDNOSTI ZA IZRAČUN QLBM ............................................................................................................. 49
TABELA 4.18: VREDNOSTI ZA IZRAČUN MS ................................................................................................................. 50
TABELA 4.19: VREDNOSTI ZA IZRAČUN ML ................................................................................................................. 52
TABELA 4.20: VREDNOSTI ZA IZRAČUN MCO2 ............................................................................................................. 53
X
UPORABLJENI SIMBOLI
h – specifična entalpija
Hi – kurilnost
Hs – zgorevalna toplota
m – masa
m – masni pretok
P – moč
q – specifična toplota
Q – toplota
Q – toplotni tok
s – specifična entropija
T – temperatura
V – prostorninski pretok
W – moč
w – specifično delo
XI
UPORABLJENE KRATICE
OVE – obnovljivi viri energije
ORC – organski Rankinov cikel (ang. Organic Rankine Cycle)
NEP – Nacionalni energetski program
LBM – lesna biomasa
EES – elektroenergetski sistem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
V zadnjih letih je veliko govora o čim večjem izkoriščanju obnovljivih virov energije, ki so
lahko dostopni v naravi (sonce, voda, biomasa, veter, geotermalna energija). Kot pove že
ime, gre za neizčrpne energetske vire, katere lahko pretvorimo v uporabne oblike energije.
V svetu narašča trend uporabe teh virov za proizvodnjo električne energije ter toplote.
Razlogov je več: zgodbe o globalnem segrevanju ozračja, težnja k čim hitrejšemu prehodu
v nizkoogljično družbo, predvidoma nižja cena energije ob ustrezni in okoljsko
sprejemljivi proizvodnji naprav za izkoriščanje obnovljivih virov, spodbujanje k čim večji
razpršenosti virov energije in podobno.
Na območju Slovenije in večjega dela jugovzhodne Evrope imamo nahajališča
nizkoentalpijske (lahko tudi nizkotemperaturne) geotermalne energije, zato je tudi bila
izbrana tema magistrskega dela izkoriščanje le-te v povezavi z drugimi OVE, konkretno s
soncem in lesno biomaso. Trenutno je v teku tudi evropski projekt GeoSEE v okviru
programa Jugovzhodna Evropa (orig. South-East Europe programme), katerega cilj je
predstaviti tehnologije za izkoriščanje nizkotemperaturnih geotermalnih virov v povezavi z
drugimi OVE.
Namen magistrskega dela je predstaviti model geotermalne elektrarne, ki za proizvodnjo
električne energije uporablja tri različne OVE – geotermalno energijo, sonce in lesno
biomaso.
V prvem poglavju jedra so na splošno opisani OVE, ki jih bomo uporabili v modelu
geotermalne elektrarne. Ocenjen je tudi njihov potencial v Sloveniji s poudarkom na
območjih nahajališč geotermalne energije.
Tretje poglavje vsebuje opisa binarnega sistema, konkretno organskega Rankinovega cikla
(ORC) ter osnov termodinamike, ki sta potrebna za nadaljnji preračun modela.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
Glavno in najpomembnejše poglavje v nalogi je 4. poglavje, v katerem je podrobno opisan
model geotermalne elektrarne. Po korakih je predstavljen potek dela ter primer preračuna
celotnega kroga. Na koncu poglavja so izbrani elementi in naprave, ki bi jih lahko
uporabili za takšno geotermalno elektrarno.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
2 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE
2.1 UVOD
OVE so vsi viri energije, ki jih pridobimo iz naravnih procesov: vodni tok (hidroenergija),
veter, sončno obsevanje, fotosinteza (biomasa), zemeljski toplotni tokovi (geotermalna
energija). Odjem obnovljivih virov ne izčrpa vira.
Uporaba OVE ima mnogo prednosti:
- varovanje okolja: zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, predvsem CO2,
- zmanjšanje uvozne odvisnosti: OVE so splošno dostopni in lahko prilagodljivi
lokalnim potrebam po energiji. Z večjo uporabo OVE se bo zmanjšala odvisnost od
uvoza fosilnih goriv,
- večja konkurenčnost: z vedno večjo uporabo OVE se povečuje cenovna
konkurenčnost fosilnim gorivom,
- razvoj gospodarskih priložnosti, nova delovna mesta [1].
V nadaljevanju se bomo osredotočili na geotermalno energijo, energijo sonca in lesno
biomaso.
2.2 GEOTERMALNA ENERGIJA
Definicija geotermalne energije je: toplota, ki je shranjena v Zemljini notranjosti. V OVE
jo štejemo zato, ker je toplota iz Zemljine notranjosti neomejena. Toplotna energija je
akumulirana v notranjosti Zemlje (v masi kamnin in v tekočih fluidih zemeljske skorje),
kjer nastajajo velike količine toplote, ki potujejo na površje Zemlje. Najbolj optimalna
izraba geotermalne energije je na območjih, kjer je vir toplote bližje površini (vulkansko
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
aktivna območja). Na površju se geotermalna energija pojavlja kot vulkan, izvir gejzirja ali
tople vode. Toplotna energija se večinoma prenaša s konvekcijo toplote [1, 2].
2.2.1 Lastnosti geotermalne energije
Geotermalna energija ima dve naravni lastnosti: zveznost in stalnost toplotnega toka ter je
toplotna energija, shranjena v kamnini. Ravno zaradi toplotnega toka je toplota shranjena
tudi v kamninah litosfere. Energijski tok bo toploto, če jo odstranimo, kmalu nadomestil,
vsekakor pa mora biti odjem energije enak naravnemu nadomeščanju, kajti le tako lahko
geotermalni energiji pripišemo lastnost neizčrpnosti [2]. Ob tem moramo upoštevati
faktorje trajnosti in obnovljivosti: nivo temperature, proces pridobivanja toplote, vire,
zaloge, tehnologijo izkoriščanja toplote geotermalnih virov, lastnosti toplotnega medija,
časovno konsistenco. Obstojnost geotermalnega vira je odvisna od geološke sestave tal,
količine izločene toplote in dolgotrajnosti izkoriščanja [1].
Temperatura
Temperatura je najpomembnejši parameter (poleg masnega pretoka geotermalne vode) za
izračun, koliko toplote lahko pridobimo iz nekega geotermalnega vira. Temperatura z
globino narašča, kar pokaže geotermalni gradient, ki prikazuje porast temperature (∆T) z
globino (∆Z) v Zemljini skorji. Na sliki 2.1 lahko vidimo, kako se temperatura spreminja z
globino. V Zemljini skorji je geotermalni gradient 30 K/km, ki pa se manjša, ko se
približujemo jedru Zemlje. Povprečni temperaturni gradient je 1 K/km [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
Slika 2.1: Geotermalni gradient v strukturi Zemlje [1]
S slike lahko razberemo, da globlje kot gremo v Zemljino notranjost, višje so temperature
geotermalne vode. Na tem mestu se pa moramo vprašati, do katere globine je smiselno
graditi vrtino, če vemo, da se z globino vrtine investicija enormno povečuje, zato je
potrebno vzeti v ozir več parametrov in oceniti, katera rešitev bi bila najbolj optimalna.
Geotermalno energijo glede na rabo delimo na:
- visokoentalpijske vire geotermalne energije s temperaturo vode nad 150 °C,
- nizkoentalpijske vire geotermalne energije s temperaturo vode pod 150 °C [2].
V nalogi se bomo osredotočili na nizkotemperaturne geotermalne vire, torej vire s
temperaturo vode pod 150 °C oz. še manj.
Prednosti geotermalne energije:
- neodvisnost od zunanjih dejavnikov,
- manjše dimenzije – geotermalne elektrarne v primerjavi z drugimi ne zavzamejo
veliko prostora, postavljene so na viru energije,
- varovanje okolja – zelo nizke emisije toplogrednih plinov,
- dolgoročnost,
- široka paleta uporabe – kmetijstvo, balneologija, ogrevanje in hlajenje, industrijski
procesi, proizvodnja električne energije [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
Slabosti geotermalne energije:
- visoki stroški – raziskave geotermalnih območij, investicija v gradnjo vrtine,
- usedanje tal – na območjih, kjer se geotermalna voda ne reinjektira pod zemeljsko
površje (praznjenje vodonosnika),
- onesnaženje voda – če izlivamo izkoriščeno geotermalno vodo, ki je po kemični
sestavi veliko bolj agresivna od vode, v površinske vodotoke,
- nastajanje usedlin – geotermalna voda vsebuje raztopljene pline, trdne snovi, olja,
pesek, nekatere od teh lahko povzročajo korozijo cevi [1].
2.3 SONCE
Sončna energija je energija, ki prihaja od Sonca. Gre za najbolj dostopen in neizčrpen
OVE. Energija Sonca se obnavlja, je brezplačna, ima največjo gostoto moči med vsemi
OVE, zelo pomembno je tudi, da ne onesnažuje okolja. Energijo Sonca izkoriščamo s
toplotnimi sistemi ali z uporabo fotonskega učinka.
Za izkoriščanje sončne energije s toplotnimi sistemi se uporabljajo sončni kolektorji, v
katerih se segreva fluid za prenos toplote (voda, olje) [3].
Poznamo več vrst sončnih kolektorjev, opisanih je pet najbolj razširjenih:
- zastekljeni ploščati solarni kolektorji: so zelo razširjeni, za medij uporabljajo
tekočino ali plin, za srednje temperature (okoli 50 °C),
- vakuumski sončni kolektorji: imajo največji izkoristek, so široko uporabni, tudi pri
zelo nizkih temperaturah okolice,
- koncentrirajoči sončni kolektorji: uporabljajo odsevnike, ki koncentrirajo sončno
svetlobo na absorber sončnega kolektorja,
- parabolični sistemi s krožniki: krožniki so velika ogledala, ki fokusirajo svetlobo na
absorber sončnega kolektorja, imajo sledilni sistem, lahko dosežejo zelo visoke
temperature (do 1000 °C na sprejemniku), za direktno pretvorbo sončne v
električno energijo,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
- parabolični sistemi – korita: naprave v obliki črke »U«. Korito koncentrira sončno
svetlobo v sprejemnik (cevna oblika), ki je postavljen po goriščni liniji korita,
temperature v sprejemniku lahko dosežejo 400 °C, kar je dovolj visoka temperatura
za proizvodnjo električne energije [4].
2.3.1 Sončno sevanje
Sončno sevanje zunaj zemeljske atmosfere je mnogo večje kot na zemeljskem površju, saj
zemeljska atmosfera zmanjša sončenje z refleksijo, absorpcijo in sipanjem. V jasnem
vremenu lahko sevanje na zemeljski površini doseže 1000 W/m2 (vrednost ni odvisna od
lokacije). Najvišje vrednosti sončenja (do 1400 W/m2 za krajše časovno obdobje) se
pojavijo v sončnih in delno oblačnih dneh, kadar se sončno sevanje odbija mimo oblakov.
Energijo sončnega sevanja skozi leto imenujemo letno globalno sevanje, podaja se v
kWh/m2. Vrednosti se med seboj razlikujejo glede na regije. V Evropi imamo sezonska
nihanja sevanja, vidna v razliki med zimskim in poletnim sončenjem [3].
Neposredno (direktno) in razpršeno (difuzno) sevanje
Sončna svetloba je na površini Zemlje razdeljena na neposredni in razpršeni del sevanja.
Neposredno (direktno) sevanje pride iz smeri Sonca in ne meče sence predmetov. Difuzno
sevanje je razpršeno po atmosferi in nima določene smeri, saj prihaja z vseh strani neba. V
oblačnih dneh do površine Zemlje pride le razpršeno sevanje. Deleža neposrednega in
razpršenega sevanja sta lahko precej različna glede na čas dneva in vremenske razmere [3].
2.4 LESNA BIOMASA
V najširšem pomenu biomasa zajema snovi biološkega izvora, razen fosilnih snovi v
geoloških tvorbah. Lesna biomasa se pridobiva iz gozda, nasadov hitro rastočih dreves in
grmovja, ostankov sečnje, lesnih stranskih produktov, ostankov industrijske predelave lesa,
odsluženega lesa. Iz lesne biomase posredno ali neposredno izvirajo lesna goriva.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
Poznamo več vrst lesnih goriv:
- drva: razžagan in po potrebi celjen les z namenom energetske izrabe v pečeh,
kaminih ali kotlih, praviloma dolžine od 150 do 1000 mm [5],
- polena: energetski les, nasekan s sekalnimi ali cepilnimi napravami, dolžine od 150
do 500 mm [5], polena pripravimo predvsem iz listavcev [6],
- lesni sekanci: koščki nasekane lesne biomase z določeno velikostjo delcev, ki se
izdelujejo z noži, so nepravilne pravokotne oblike in dolžine od 5 do 50 mm ter
imajo majhno debelino v primerjavi z drugimi dimenzijami [5],
- peleti: stisnjeni ostanki žaganja, dolžine od 10 do 30 mm ter premera od 5 do 15
mm,
- briketi: podobni peletom, vendar večji, dolžine do 400 mm, izdelani so s stiskanjem
žagovine, suhega lesnega prahu, lubja, oblancev in drugih lesnih odpadkov [6].
Najpomembnejše lastnosti lesnih goriv so: dimenzije, vsebnost vode, kurilnost in vsebnost
okoljsko škodljivih snovi. Pomemben je tudi izvor lesnih goriv [5].
2.5 OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE V SLOVENIJI
2.5.1 Nacionalni energetski program (NEP)
Glavni dokument v Sloveniji, ki določa dolgoročne razvojne cilje in usmeritve (ob
upoštevanju okoljskih in tehnoloških kriterijev), razvoj javne infrastrukture in
infrastrukture državnega pomena ter mehanizme za spodbujanje uporabe OVE, je
Nacionalni energetski program (NEP) Slovenije, ki je pripravljen v skladu z zahtevami
Energetskega zakona [7].
NEP zajema naslednja poglavja: Strategija NEP, Podprogrami NEP, Horizontalni
podprogrami NEP, Ocena učinkov NEP, Izvedba in spremljanje programa, Priloge.
Največjo pozornost bomo namenili Podprogramu NEP na področju trajnostne rabe energije
in lokalne oskrbe z energijo, katerega podpoglavje je poglavje Obnovljivi viri energije.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
»Cilji slovenske energetske politike za obnovljive vire energije so:
- zagotoviti 25-odstotni delež OVE v končni rabi energije do leta 2020 in 30-odstotni
delež OVE do leta 2030; dolgoročno povečevati delež OVE v končni rabi energije
po letu 2030;
- zagotoviti 10-odstotni delež OVE v prometu do leta 2020;
- uveljaviti URE in OVE kot prioritete gospodarskega razvoja [8].«
NEP v omenjenem podpoglavju določa strategijo, podporno okolje, spodbude, pričakovane
učinke, akterje, financiranje ter spremljanje izvedbe podprograma.
K pričakovanim učinkom NEP-a sodijo ukrepi razpršene proizvodnje električne energije in
oskrbe s toploto iz OVE ter pričakovani obseg izvedbe ukrepov. Na področju uporabe
geotermalne energije, sončne energije in lesne biomase so predlagani ukrepi, ki so
zanimivi za nadaljnjo vsebino magistrske naloge, naslednji:
- geotermalna elektrarna, pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 0 MW do leta 2020 in
25 MW do leta 2030,
- geotermalni ogrevalni sistemi, pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 10 sistemov do
leta 2020 in 20 sistemov do leta 2030,
- sončni kolektorji, pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 669.000 m2 do leta 2020 in
1.557.000 m2 do leta 2030,
- kotli na lesno biomaso (LBM) v industriji (220 kW), pričakovani obseg izvedbe
ukrepa: 200 enot do leta 2020 in 280 enot do leta 2030,
- kotli na LBM v industriji (2.000 kW), pričakovani obseg izvedbe ukrepa: 50 enot
do leta 2020 in 70 enot do leta 2030 [8].
Glede na cilje v NEP-u je jasno, da moramo čim bolj težiti k čim večji uporabi OVE. V
nadaljevanju se bomo osredotočili na potencial geotermalne energije, sonca in lesne
biomase v Sloveniji, s poudarkom na območjih nahajališč geotermalne energije.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
2.6 POTENCIAL OVE V SLOVENIJI
Za izračun modela geotermalne elektrarne v poglavju 4 potrebujemo nekaj osnovnih
vhodnih podatkov za OVE, ki bodo uporabljeni v sistemu. Osnova je seveda geotermalna
energija, preučiti pa moramo tudi potencial sonca in lesne biomase.
2.6.1 Potencial geotermalne energije
Geotermalna potencialna območja v Sloveniji lahko razdelimo na pet regij:
- Panonski bazen, površina 1300 km2, več kot 100 l/s termalne vode s temperaturo od
40 do 70 °C,
- Rogaško-celjsko-šoštanjska regija, površina 450 km2, več kot 250 l/s termalne vode
s temperaturo od 18,5 do 48 °C,
- Planinsko-laško-zagorska regija, površina 380 km2, več kot 150 l/s termalne vode s
temperaturo od 21 do 43 °C,
- Krško-brežiška regija, površina 550 km2, več kot 240 l/s termalne vode s
temperaturo od 15 do 64 °C,
- Ljubljanska kotlina, površina 600 km2, okrog 150 l/s termalne vode s temperaturo
od 18 do 30 °C [2].
Na območju Panonskega bazena imamo dva vodonosnika, ki sta v različnih kamninah:
nizkotemperaturni vodonosnik Termal 1 in visokotemperaturni vodonosnik Termal 2.
Vodonosnik Termal 1 predstavlja nizkotemperaturni sistem (temperature do 150 °C),
vodonosna plast na zahodnem delu dosega globino več kot 1500 m, globina vodonosnika
se veča proti vzhodu. Termal 2 je edini visokotemperaturni vodonosnik, ki se nahaja v
globinah do 2000 m, temperatura v njem doseže 110 °C. V južnem delu vodonosnik sega
do globine 4000 m, tam je termalna voda ogreta na več kot 200 °C [2]. Na tem območju bi
bilo tudi najbolj smiselno postaviti potencialno geotermalno elektrarno.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
V Krško-brežiški regiji, točneje v Krški kotlini, je ocenjen potencial 0,5∙1018
J na površini
118 km2. Debelina vodonosnika je 400 m, maksimalna ocenjena energija pa je 11,2 GJ/m
2.
Maksimalna temperatura termalne vode, ki jo črpajo v Termah Čatež, je 60 °C [2].
Rogaško-celjsko-šoštanjska regija je tudi potencialno možno območje za izkoriščanje
geotermalne energije za proizvodnjo električne energije, vendar bi bilo potrebno zgraditi
bistveno globlje vrtine, če bi hoteli priti do višjih temperatur od 45 °C.
V Sloveniji znaša teoretični potencial geotermalne energije 5.467 GWh oziroma 301 GWh
električne energije na leto [9].
Na sliki 2.2 so prikazane temperature geotermalne vode v Sloveniji v globini 1000 m. Z
vijolično črto je obkroženih pet prej omenjenih geotermalnih potencialnih območij, kjer
številke pomenijo: 1 – Panonski bazen, 2 – Rogaško-celjsko-šoštanjska regija, 3 –
Planinsko-laško-zagorska regija, 4 – Krško-brežiška regija in 5 – Ljubljanska kotlina. Kot
lahko razberemo s slike in iz legende, so najvišje temperature v globini 1000 m med
Mariborom in Mursko Soboto. Ostala območja, označena z rumeno barvo so tudi
potencialno možna za uporabo geotermalne energije za proizvodnjo električne energije,
ampak ob mnogo višjem denarnem vložku za izgradnjo globokih vrtin.
Slika 2.2: Temperatura geotermalne vode v globini 1000 m [10]
1
2
3
4
5
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
V Sloveniji je nekaj več kot 100 evidentiranih vrtin. Večinoma segajo do globine nekaj
deset metrov, nekatere so tudi globlje (tudi do 2200 m). Največ vrtin je na območju
Panonskega bazena, saj so tam tudi najvišje temperature v plitvih slojih Zemlje [11].
2.6.2 Potencial sončne energije
Celoten potencial sončnega sevanja v Sloveniji znaša okoli 23.000 TWh. Ocenjen tehnično
razpoložljivi potencial glede na sedaj razvite tehnologije je približno 960 GWh na leto [9].
V Sloveniji je povprečno sončno obsevanje na kvadratni meter horizontalne površine večje
od 1000 kWh/m2 (3600 MJ/m
2). Povprečje letnega globalnega obsevanja od leta 1993 do
2003 je med 1053 in 1389 kWh/m2, polovica Slovenija prejme med 1153 in 1261 kWh/m
2.
Na območjih z nahajališči geotermalne vode je povprečno sončno obsevanje na
horizontalno površino povsod približno enako in znaša okoli 1236 kWh/m2, kar je blizu
slovenskemu povprečju (1250 kWh/m2) [12]. Opisani podatki so vidni na sliki 2.3.
Slika 2.3: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [12]
Pri postavitvi sončnih kolektorjev je pomembno tudi to, kako so orientirani. Za primer
vzemimo Mursko Soboto. V tabeli 2.1 so povzeti izračuni sončnega obsevanja na osnovi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
podatkov o sončnem obsevanju na ravno površino v Murski Soboti glede na različne
orientacije in naklone modulov [13].
Tabela 2.1: Sončno obsevanje v Murski Soboti [13]
Orientacija modulov Naklon modulov (°) Sončno obsevanje pri
danih podatkih (kWh/m2)
vzhod
10 1240
30 1153
45 1056
jug
10 1344
30 1425
45 1398
zahod
10 1243
30 1160
45 1065
Pridemo do ugotovitve, da je optimalna postavitev sončnih kolektorjev v smeri jug z
naklonom 30 °C, saj je tam največje sončno obsevanje 1425 kWh/m2.
2.6.3 Potencial lesne biomase
Po podatkih gozdnogospodarskih načrtov Zavoda za gozdove Slovenije je lesna zaloga
slovenskih gozdov 337816717 m3 oziroma 285 m
3/ha, od tega je listavcev 54 % in
iglavcev 46 %. Letni prirastek lesa je 8419974 m3 ali 7,1 m
3/ha. V gozdovih se v zadnjih
nekaj letih poseka od 3,4 do 3,9 milijonov m3 dreves letno, od tega 55 % iglavcev in 45 %
listavcev. V letu 2012 je bilo skupno posekano 3910807 m3 dreves [14]. Navedeni podatki
so vidni na sliki 2.4, kjer je predstavljena lesna zaloga v Sloveniji v m3/ha.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
Slika 2.4: Lesna zaloga v Sloveniji [14]
Opazimo, da je na območjih nahajališč geotermalne energije manj lesne zaloge kot na
preostalih območjih, razen na območju zahodno od Velenja, ki spada v geotermalno
potencialno območje Rogaško-celjsko-šoštanjske regije. Na območju zahodno od Velenja
je tudi največji letni prirastek gozdov (nad 10 m3/ha), kar lahko vidimo s slike 2.5. Na
drugih geotermalno potencialnih območjih je letni prirastek precej nižji, saj znaša od 2,5
do največ 10 m3/ha.
Slika 2.5: Prirastek gozdov v Sloveniji [14]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
Pri oceni potenciala lesnih goriv za proizvodnjo toplote ali električne energije moramo
najprej ugotoviti njihovo energijsko vrednost. Energijska vrednost goriva je količina
energije, ki jo dobimo med popolnim zgorevanjem enote mase goriva. Z večjo vsebnostjo
vode v lesu se niža njegova energijska vrednost, saj se del energije, sproščene med
zgorevanjem, porabi za izhlapevanje vode. Ločimo naslednji energijski vrednosti:
- kurilnost (Hi): količina toplote, ki jo dobimo z zgorevanjem goriva, če se dimni
plini ne ohladijo pod temperaturo rosišča vodne pare (odšteli smo toplotno energijo,
ki jo potrebujemo za spremembo vode v paro),
- zgorevalna toplota (Hs): vsa toplota, ki se sprosti pri zgorevanju, vključno s toploto
vodne pare v dimnih plinih [15].
Vrednosti kurilnosti sušilnično suhega lesa za iglavce in listavce so od 18,5 do 19 MJ/kg.
Upoštevati je treba, da je ta les sušen v sušilnici, za kar prav tako porabljamo energijo. Bolj
smotrno bi bilo torej uporabiti les z vsebnostjo vode pa čeprav ima nižjo vrednost
kurilnosti. V tabeli 2.2 so podane vrednosti kurilnosti (Hi = 18,5 MJ/kg) v odvisnosti od
vsebnosti vode (w %). Vsebnost vode je delež mase vode v lesu glede na maso vlažnega
lesa [15].
Tabela 2.2: Kurilnost (Hi = 18,5 MJ/kg) kot funkcija vsebnosti vode (w %) [15]
w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg
15 4,27 31 3,34 47 2,41
16 4,21 32 3,28 48 2,35
17 4,15 33 3,22 49 2,29
18 4,10 34 3,16 50 2,23
19 4,04 35 3,11 51 2,17
20 3,98 36 3,05 52 2,12
21 3,92 37 2,99 53 2,06
22 3,86 38 2,93 54 2,00
23 3,80 39 2,87 55 1,94
24 3,75 40 2,81 56 1,88
25 3,69 41 2,76 57 1,82
26 3,63 42 2,70 58 1,77
27 3,57 43 2,64 59 1,71
28 3,51 44 2,58 60 1,65
»se nadaljuje«
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
»nadaljevanje«
w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg w (%) kWh/kg
29 3,45 45 2,52 61 1,59
30 3,40 46 2,47 62 1,53
S pomočjo zgornje tabele lahko za katero koli vrednost (od 15 do 62 %) vsebnosti vode
takoj najdemo vrednost kurilnosti v kWh/kg, če je izbrana začetna vrednost kurilnosti Hi =
18,5 MJ/kg, kar je spodnja vrednost kurilnosti sušilnično suhega lesa. Tako lahko
izračunamo, koliko lesa potrebujemo za proizvodnjo izbrane količine toplote.
Sedaj, ko imamo osnovne podatke o potencialu OVE v Sloveniji, se lahko lotimo teorije
modela geotermalne elektrarne. Najprej bomo predstavili binarni sistem – ORC, ki je
najprimernejši za izkoriščanje nizkoentalpijskih geotermalnih virov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
3 IZKORIŠČANJE NIZKOENTALPIJSKE GEOTERMALNE ENERGIJE ZA
PROIZVODNJO ELEKTRIČNE ENERGIJE
3.1 UVOD
Za izkoriščanje nizkoentalpijske geotermalne energije se uporabljajo t. i. binarni
termodinamični procesi, s katerimi povečamo izkoristek sistema s tem, da izkoristimo čim
več energije. Geotermalne elektrarne z binarnim sistemom so po načelih termodinamike
najbližje konvencionalnim termoelektrarnam ali jedrskim elektrarnam, in sicer po tem, da
je delovni medij v zaprtem krogu. Delovni medij, ki ga izberemo na podlagi
termodinamičnih lastnosti za določen sistem, prejme toploto od geotermalne vode, se
upari, ekspandira skozi pogonski stroj (turbino), nato se kondenzira in se vrne v uparjalnik
z napajalno črpalko. Pri tem geotermalno vodo vračamo v podzemni rezervoar [16].
Enostavna shema binarnega sistema je na sliki 3.1.
Binarne elektrarne so najbolj razširjene geotermalne elektrarne z 235 delujočimi enotami
(avgust 2011) v 15 državah. Proizvajajo preko 708 MW moči. Predstavljajo 40 % vseh
geotermalnih enot, generirajo pa samo 6,6 % celotne moči. Povprečna moč takšne
elektrarne je majhna, samo 3 MW/enoto, toda z napredno tehnologijo se uvajajo enote
moči do 21 MW (uporabljajo dve turbini, ki poganjata en generator) [16].
Binarni sistemi se uporabljajo za nizkotemperaturne geotermalne vire (temperatura pod
150 °C), saj v tem temperaturnem območju dosegajo največje izkoristke [16].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
Slika 3.1: Shematski prikaz binarnega procesa [17]
Za proizvodnjo električne energije iz nizkoentalpijskih geotermalnih virov sta v literaturi
predlagana dva binarna procesa, in sicer:
- organski Rankinov proces (ORC), ki je podoben parnemu Rankinovemu procesu, le
da se v ORC za delovni medij namesto pare uporabljajo ogljikovodiki [18].
Ogljikovodiki prej dosežejo vrelno temperaturo, zato so boljši v procesih za
proizvodnjo električne energije iz nizkotemperaturnih virov [19];
- Kalina proces, ki je podoben ORC, le da za delovni medij uporablja mešanico vode
in amonijaka s spremenljivo sestavo (deleža vode oz. deleža amonijaka).
Kalina proces je pogosto omenjen kot alternativa za ORC, dokazano pa je, da imata oba
procesa približno enako učinkovitost [18].
Za model geotermalne elektrarne, ki bo podrobno opisan v naslednjem poglavju, smo si
izbrali ORC, zato bodo v nadaljevanju predstavljene teoretične osnove tega procesa. ORC
proces izberemo zato, ker ima največje izkoristke pri uporabi nizkoentalpijskih virov
energije za proizvodnjo električne energije. Termodinamični potek v ORC sistemu je
dobro znan, saj je, kot smo že omenili, zelo podoben parnemu Rankinovemu procesu.
parna turbina
hladilni stolp
proizvodna vrtina
injektivna vrtina
toplotni prenosnik
kondenzator
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
3.2 ORGANSKI RANKINOV PROCES
3.2.1 Shema in termodinamične osnove
Termodinamične osnove za proces lahko najdemo v [20] poglavjih, kjer sta razložena prvi
in drugi glavni zakon termodinamike.
Kot smo že omenili, ORC uporablja za delovni medij ogljikovodike oz. zmesi le-teh zaradi
nižje temperature uparjanja, kot jo ima voda. Na sliki 3.2 je prikazan T-s diagram za
propan kot delovni medij v procesu. Na sliki 3.3 pa je prikazana shema tehnološkega
procesa [21].
Slika 3.2: ORC T-s diagram [21]
Slika 3.3: ORC – shema tehnološkega procesa [21]
Specifična entropija [kJ/kgK]
Tem
pe
ratu
ra [
°C]
KT
Wčrpalka
Wturbina
v generatortoplotni
prenosnikturbina
kondenzator
napajalna črpalka 12
3
4
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
Črpalka stisne delovni medij, ki se nato segreje in upari v toplotnem prenosniku. Pri tem
jemlje toploto iz vira. Potem delovni medij ekspandira v parni turbini. V zadnjem koraku
cikla v kondenzatorju odstranimo preostalo toploto. Spremembe stanja idealnega procesa
so naslednje (glej sliko 3.3):
- 1 – 2: izentropna kompresija, v cikel vloženo delo,
- 2 – 3: izobarno dovedena toplota (toplotni prenosnik),
- 3 – 4: izentropna ekspanzija, iz cikla oddano delo,
- 4 – 1: izobarno odvedena toplota (kondenzator) [21].
Glede na to, pri kolikšnem tlaku se dovaja toplota, ločimo podkritični sistem in nadkritični
sistem. Pri podkritičnem sistemu fluid med uparjanjem prehaja skozi dvofazno območje
(odebeljena črta na sliki 3.2), pri nadkritičnem sistemu pa ne (prekinjena črta na sliki 3.2).
Mesto kritične točke (KT) je odvisno od fluida [21].
Iz entalpijske razlike med posameznimi stanji lahko izračunamo prispevek energije za
vsako komponento:
- dovedeno delo napajalne črpalke: wč = h2 – h1,
- dovedena toplota v toplotnem prenosniku: qin = h3 – h2,
- dobljeno specifično delo turbine: wt = h3 – h4,
- odvedena toplota v kondenzatorju: qout = h4 – h1.
Sedaj lahko definiramo enačbo (3.1) za termični izkoristek cikla:
in
čt
in
outint
q
ww
q
η , (3.1)
kjer je:
tη – termični izkoristek [21].
Ta enačba velja v idealnem primeru, realno pa so prisotne izgube. Tlačnih izgub v
cevovodih, toplotnem prenosniku in v kondenzatorju ne smemo spregledati. Dodatno
imamo še izgube pri kompresiji v črpalki in ekspanziji v turbini. Te izgube so vidne v
povečanju entropije pri kompresiji in ekspanziji. Definiramo jih lahko z izentropnim
izkoristkom črpalke oz. turbine, kar je podano v enačbah (3.2) in (3.3).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
12
12ηhh
hh sč
, (3.2)
kjer je:
čη – izentropni izkoristek črpalke,
h2s – entalpija pri izentropni spremembi (J/kg),
h1 – entalpija v stanju 1 (J/kg),
h2 – entalpija v stanju 2 (J/kg).
s
thh
hh
43
43η
, (3.3)
kjer je:
tη – izentropni izkoristek turbine,
h3 – entalpija v stanju 3 (J/kg),
h4 – entalpija v stanju 4 (J/kg),
h4s – entalpija pri izentropni spremembi (J/kg) [21].
3.2.2 Opis elementov ORC
Turbina
Analiza turbine je podobna analizi parne turbine. Shema turbine je na sliki 3.4. Moč
turbine lahko izračunamo po enačbi (3.4).
Slika 3.4: Turbina/generator za binarni sistem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
stdmdmt hhmhhmW 2121 η , (3.4)
kjer je:
tW – moč turbine (W),
dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s).
Lastnosti za delovni medij lahko najdemo iz tabel ali grafov za katere koli izbrane
parametre. Želena moč turbine določi masni pretok delovnega medija [16].
Kondenzator
V kondenzatorju odvedemo toploto delovnemu mediju s pomočjo hladilne tekočine.
Shema kondenzatorja s hladilno tekočino je na sliki 3.5.
Slika 3.5: Kondenzator s hladilno tekočino
Odvedena toplotna moč se dobi po enačbi (3.5):
32 hhmQ dmk , (3.5)
kjer je:
kQ – toplotna moč odvedena v kondenzatorju (W).
Zveza med masnima pretokoma delovnega medija in hladilne tekočine je zapisana v enačbi
(3.6):
xyhtdm hhmhhm 32 , (3.6)
kjer je:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
htm – masni pretok hladilne tekočine (kg/s) [16].
Napajalna črpalka
Z uporabo enakih predpostavk kot za ostale elemente se moč napajalne črpalke, ki jo
prenesemo na delovni medij, izračuna po enačbi (3.4), le da upoštevamo izkoristek črpalke
in dobimo enačbo (3.7). Na sliki 3.6 je shema napajalne črpalke.
Slika 3.6: Napajalna črpalka
čsdmdmč hhmhhmW η3434 , (3.7)
kjer je:
čW – moč črpalke (W).
Uparjalnik
Za toplotno moč, ki jo dovedemo v sistem, uporabimo podobni enačbi kot pri
kondenzatorju, le da imamo obrnjeno situacijo – v kondenzatorju se toplota odvaja s
hladilno tekočino, v uparjalniku pa se toplota dovaja z virom toplote (geotermalnim
virom). Na sliki 3.7 je shema toplotnega prenosnika oz. uparjalnika z virom geotermalne
vode.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
Slika 3.7: Uparjalnik z geotermalno vodo
Dovedeno toplotno moč iz geotermalnega vira izračunamo po enačbi (3.8):
41 hhmQ dmu , (3.8)
kjer je:
uQ – toplotna moč dovedena v uparjalniku (W).
Zveza med masnima pretokoma delovnega medija in geotermalne vode je zapisana v
enačbi (3.9):
bageodm hhmhhm 41
, (3.9)
kjer je:
geom – masni pretok geotermalne vode (kg/s) [16].
Sedaj, ko smo spoznali osnovne termodinamične veličine in z njimi opisali osnovni ORC
sistem, se lahko lotimo modela geotermalne elektrarne, ki bazira na podobnem sistemu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
4 KOMBINIRAN PROCES IZKORIŠČANJA OVE ZA PROIZVODNJO
ELEKTRIČNE ENERGIJE
4.1 OPIS IN SHEMA SISTEMA
Osnova modela geotermalne elektrarne je ORC sistem, v katerem je delovni medij, ki ga
segrevamo z različnimi OVE. Najprej izkoristimo geotermalno energijo, nato sončno
energijo ter nazadnje LBM. V literaturi se večinoma omenjajo sistemi, ki uporabljajo
kombinacijo dveh OVE, v našem primeru bomo koristili kar tri. Prednost takšnega sistema
je, da izkoristimo čim več razpoložljivih OVE, s čimer si zagotovimo večjo zanesljivost
obratovanja sistema ter posledično zmanjšamo oz. izničimo nihanje proizvodnje električne
energije. Na sliki 4.1 je prikazana shema sistema z vsemi pripadajočimi elementi.
Slika 4.1: Shema ORC – geotermalna energija, sončna energija, lesna biomasa
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
Označbe na sliki 4.1 pomenijo:
- 1 – 5: stanja delovnega medija,
- V1, V2: ventil,
- T – temperaturni senzor,
- geom – masni pretok geotermalne vode iz produkcijske vrtine,
- sm – masni pretok medija iz sončnega podsistema,
- LBMm – masni pretok medija iz podsistema na lesno biomaso,
- htm – masni pretok hladilne tekočine za hlajenje delovnega medija.
V stanju 1 delovni medij vstopa v toplotni prenosnik, kjer sprejme toploto od geotermalne
vode iz produkcijske vrtine in preide v stanje 2. Delovni medij nato iz stanja 2 vstopa v
uparjalnik, kjer ga še dodatno segrejemo s toploto iz sončnega podsistema. Takoj za tem
imamo postavljen temperaturni senzor, ki meri temperaturo delovnega medija, ter dva
ventila. Če senzor zazna nižjo temperaturo od želene, se zapre V2 ter odpre V1, s čimer
omogočimo, da delovni medij potuje v še en uparjalnik na dodatno segrevanje s toploto iz
podsistema na lesno biomaso, kjer se segreje na želeno temperaturo (stanje 3), s katero
vstopa v parno turbino, kjer ekspandira do stanja 4. Nato vstopi v kondenzator, kjer odda
toploto hladilni tekočini in preide v stanje 5. V zadnjem koraku cikla delovni medij preko
črpalke preide iz stanja 5 v stanje 1.
4.2 OPIS IZBIRE DELOVNEGA MEDIJA
Izbira medija je zelo pomembna, saj s to odločitvijo pri načrtovanju ORC zelo vplivamo na
učinkovitost binarne elektrarne. Čeprav imamo na izbiro veliko različnih medijev, moramo
vzeti v ozir tako njihove termodinamične lastnosti kot tudi vpliv na zdravje, varnost in
okolje [16].
Pri izbiri delovnega medija je pomembno, da ima ORC proces pri izbranem mediju kar
najvišji termodinamični izkoristek in da delovni medij omogoči, da nizkotemperaturni
geotermalni vir čim bolje izrabimo [22]. Pomembno je tudi, da delovni medij po ekspanziji
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
v turbini ne pride v mešano območje (tekočina in para), ampak da ostane v območju
pregrete pare [16].
Že v prejšnjem poglavju smo ugotovili, da bomo uporabili ogljikovodike, ki imajo precej
nižjo kritično temperaturo in kritičen tlak kot voda. Sem na primer spadajo: propan (C3H8),
izobutan (i-C4H10), butan (C4H10), izopentan (i-C5H12), pentan (C5H12). Vsi našteti
ogljikovodiki imajo kritično temperaturo pod 200 °C in kritičen tlak pod 4,3 MPa; za
referenco, voda ima kritično temperaturo 374 °C in kritičen tlak 22,1 MPa [16].
Izbira delovnega medija za ORC proces je tema kar nekaj člankov. Če se naslonimo na
rezultate izračunov in simulacij, opravljenih v virih [23], [24] in [25], pridemo do
ugotovitve, da je za naš sistem več potencialnih ogljikovodikov in sicer: R236ea (CF3–
CHF–CHF2), R245ca (CF3–CHF–CH2F), R600 (butan), R600a (izobutan), R601a
(izopentan), RE134 (CHF2–O–CHF2), RE245 (CHF2–O–CH2–CF3), R134a (CF3–CH2F),
R245fa (CF3–CH2–CHF2).
V viru [23] sta ogljikovodika R134a in R245fa za delovni medij v nizkotemperaturnem
ORC procesu še posebej testirana in prišli so do zaključka, da je R245fa najbolj optimalna
izbira (kot tudi v [24] in [25]).
V nadaljevanju naloge bomo za izhodišče vzeli članek [23], zato bomo izbrali R245fa za
delovni medij.
4.2.1 Delovni medij: R245fa
R245fa (lahko tudi HFC-245fa) je s svojimi termodinamičnimi lastnostmi in okoljsko
sprejemljivostjo postal zelo izkoriščan delovni medij v industriji. Primeren je za številne
aplikacije, kot so centrifugalni hladilniki, ORC sistemi za proizvodnjo električne energije,
prenos toplote za nizkotemperaturno hlajenje, medij v sekundarni zanki za komercialno
hlajenje in toplotne črpalke. V tabeli 4.1 so podane nekatere fizikalne in termodinamične
lastnosti R245fa [26].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
Tabela 4.1: Fizikalne in termodinamične lastnosti R245fa [26]
Kemijsko ime 1,1,1,3,3–pentafluoropropan
Molekulska formula CF3–CH2–CHF2
Molekulska masa 134
Temperatura vrelišča (°C) pri 1,01 bar* 15,3
Temperatura zmrzišča (°C) pri 1,01 bar < –107
Kritična temperatura (°C) 154,05
Kritičen tlak (bar) 36,4
Gostota tekočine (kg/m3) 1339
Podatki so pri 25 °C, razen če je napisano drugače. *1 bar = 105 Pa [27]
Na sliki 4.2 je T-s diagram za R245fa, na sliki 4.3 pa p-h diagram za R245fa. Slednjega
bomo potrebovali pri preračunu v naslednjem podpoglavju, zato so v njem že vrisane
najpomembnejše točke (stanja) ter dogajanje v ciklu. Podrobneje bomo sliko obrazložili v
poglavju 4.3.
Slika 4.2: T-s diagram za R245fa [28]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
Slika 4.3: p-h diagram za R245fa [29]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
4.2.2 Bi bila voda primerna za delovni medij?
Kot smo že omenili v 3. poglavju, je ORC sistem zelo podoben Rankinovemu procesu, ki
za delovni medij uporablja vodo (paro). Na tem mestu se lahko vprašamo, zakaj ne bi
poskusili v našem ORC sistemu imeti vode za delovni medij, če vzamemo v ozir ceno,
dostopnost, okoljski vidik in opremo za ORC.
Termodinamični preračun je pokazal, da bi v primeru, če bi izbrali vodo za delovni medij,
nizkotemperaturni geotermalni vir izgubil na pomenu, saj bi v primerjavi s toploto, ki jo
dovajamo iz sončnega sistema oz. sistema na lesno biomaso, imel zanemarljivo majhen
delež. Slabše lastnosti vode kot delovnega medija za naš ORC sistem se odražajo tudi na
termodinamičnem izkoristku, ki je v tem primeru bistveno manjši.
4.3 PRIMER IZRAČUNA ORC
4.3.1 Potek izračuna
Preden se bomo zares lotili izračuna, si moramo določiti izhodišče in potek po korakih, kar
je prikazano na sliki 4.4.
Slika 4.4: Potek izračuna
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
Označbe na sliki 4.4 pomenijo:
- A – F – vrstni red korakov v izračunu,
- geoQ – toplotni tok geotermalne vode,
- dmQ – toplotni tok delovnega medija,
- dmm – masni pretok delovnega medija,
- dodQ – dodatni toplotni tok,
- tW – moč turbine,
- kondQ – toplotni tok kondenzatorja,
- htQ – toplotni tok hladilne tekočine,
- htm – masni pretok hladilne tekočine,
- čW – moč črpalke,
- TDη – termodinamični izkoristek.
4.3.2 Izračun
Pri modeliranju sistema moramo nekatere parametre določiti, nekatere predpostaviti,
nekatere pa vzamemo iz podatkov. Sproti bomo napisali, od kod je določena vrednost, baza
za izračun sta diagram na sliki 4.3 ter potek izračuna na sliki 4.4. Oznake za veličine bodo
enake kot na omenjenih slikah.
Za vhodne podatke vzemimo geotermalni vrtini na območju Topolšice. Iz podatkov
vidimo, da imamo iz dveh vrtin (izvir Toplica in vrtina T-11/76) povprečen skupni pretok
geotermalne vode 50 l/s z maksimalno temperaturo 40 °C [30].
Za izračun toplotnega toka geotermalne vode bomo uporabili enačbo (4.1):
geogeo,pgeogeogeo TcVQ Δρ , (4.1)
kjer je:
geoQ – toplotni tok geotermalne vode (W),
geoV – prostorninski tok geotermalne vode (m3/s),
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
geoρ – gostota geotermalne vode (kg/m3),
geo,pc – specifična toplota geotermalne vode (J/kgK),
geoTΔ – sprememba temperature geotermalne vode (K).
Vrednosti za izračun enačbe (4.1) so v tabeli 4.2.
Tabela 4.2: Vrednosti za izračun geoQ
Veličina Vrednost
geoV 50 l/s = 0,05 m3/s
geoρ 1250 kg/m3 odčitamo s slike 11 v [31]
geo,pc 4,18 kJ/kgK (lahko vzamemo enako kot za vodo) iz [27]
geoTΔ
določimo. Vemo, da je vstopna temperatura geotermalne vode Tgeo,in = 40 °C, izstopno pa
določimo: Tgeo,out = 10 °C, torej je geoTΔ = Tgeo,in – Tgeo,out = 30 K.
Vse naštete vrednosti iz tabele 4.2 vstavimo v enačbo (4.1) in dobimo:
kW,,,Qgeo 57837301841250050 .
Če pogledamo diagram na sliki 4.3, smo izračunali, koliko toplotnega toka je potrebnega iz
geotermalne vode, da pridemo iz stanja 1 v stanje 2.
Za nadaljnji izračun po sliki 4.4 uporabimo enakost v enačbi (4.2):
dmgeo QQ , (4.2)
kjer je:
geoQ – toplotni tok geotermalne vode (W),
dmQ – toplotni tok delovnega medija (W).
Sedaj vemo, da je temperatura delovnega medija v stanju 2 enaka izstopni temperaturi
geotermalne vode, torej 38 °C. Po enačbi (4.3) izračunamo masni pretok delovnega medija:
52 hhmQ dmdm , (4.3)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
kjer je:
dmQ – toplotni tok delovnega medija (W),
dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s),
h2 – entalpija v stanju 2 na sliki 4.3 (kJ/kg),
h5 – entalpija v stanju 5 na sliki 4.3 (kJ/kg).
Vrednosti za izračun enačbe so v tabeli 4.3.
Tabela 4.3: Vrednosti za izračun dmm
Veličina Vrednost
dmQ 7837,5 kW
h2 251 kJ/kg odčitamo v stanju 2 pri T2 = 38 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3
h5 157 kJ/kg odčitamo v stanju 5 pri T5 = –32 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3
Iz enačbe (4.3) izrazimo dmm in dobimo enačbo (4.4):
s
kg,
,
hh
Qm dm
dm 3883157251
57837
52
. (4.4)
V naslednjem koraku bomo izračunali, koliko dodatnega toplotnega toka potrebujemo –
dodQ , če želimo delovni medij segreti na želenih 130 °C. Pri tem preidemo skozi mešano
območje v območje pregrete pare (stanje 3). dodQ je na sliki 4.3 razdeljen na dve
komponenti, in sicer na toplotni tok iz solarnega sistema in na toplotni tok iz sistema na
lesno biomaso. To lahko opišemo z enačbo (4.5):
LBMsdod QQQ , (4.5)
kjer je:
dodQ – dodatni toplotni tok (W),
sQ – toplotni tok iz sončnega podsistema (W),
LBMQ – toplotni tok iz podsistema na lesno biomaso (W).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
Po enačbi (4.6) bomo izračunali dodQ :
23 hhmQ dmdod , (4.6)
kjer je:
dodQ – dodatni toplotni tok (W),
dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s),
h3 – entalpija v stanju 3 na sliki 4.3 (kJ/kg),
h2 – entalpija v stanju 2 na sliki 4.3 (kJ/kg).
V tabeli 4.4 so vrednosti za izračun enačbe (4.6).
Tabela 4.4: Vrednosti za izračun dodQ
Veličina Vrednost
dmm 83,38 kg/s
h3 500 kJ/kg odčitamo v stanju 3 pri T3 = 130 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3
h2 251 kJ/kg
Vrednosti iz tabele 4.4 vstavimo v enačbo (4.6) in dobimo:
kW,Qdod 207622515003883 .
Izračunani toplotni tok, torej približno 20,8 MW, moramo pridobiti iz solarnega
podsistema. Če solarni podsistem ne bo sposoben generirati tolikšne količine toplotnega
toka, bo (po sliki 4.1) delovni medij šel še v podsistem na lesno biomaso, da dosežemo
stanje 3 na sliki 4.3.
Če nadaljujemo s preračunom, vidimo, da je naslednji korak izračun moči turbine tW , kar
bomo izračunali po enačbi (4.7):
43 hhmW dmt , (4.7)
kjer je:
tW – moč turbine (W),
dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s),
h3 – entalpija v stanju 3 na sliki 4.3 (kJ/kg).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
h4 – entalpija v stanju 4 na sliki 4.3 (kJ/kg).
Pri računanju moči turbine moramo upoštevati njen izentropni izkoristek, ki smo ga
določili in naj bo 80 %. Po enačbi (4.8) izračunamo izentropni izkoristek iη :
'
ihh
hh
43
43η
, (4.8)
kjer je:
iη – izentropni izkoristek,
h3 – entalpija v stanju 3 na sliki 4.3 (kJ/kg),
h4 – entalpija v stanju 4 na sliki 4.3 (kJ/kg),
h4' – entalpija v točki 4' na sliki 4.3 (kJ/kg).
Vrednosti za izračun edine neznane veličine (h4) v enačbi (4.8) so podane v tabeli 4.5.
Tabela 4.5: Vrednosti za izračun h4
Veličina Vrednost
iη 0,8
h3 500 kJ/kg odčitamo v stanju 3 pri T3 = 130 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3
h4'
400 kJ/kg odčitamo v točki 4', če potujemo iz stanja 3 po izentropi v točko 4' na p-h diagramu
za R245fa na sliki 4.3
Iz enačbe (4.8) izrazimo h4 in dobimo enačbo (4.9):
kg
kJ,hhhh 'i 42040050080500η 4334 . (4.9)
Sedaj se lahko vrnemo k reševanju enačbe (4.7), za katero so vrednosti za izračun zbrane v
tabeli 4.6.
Tabela 4.6: Vrednosti za izračun tW
Veličina Vrednost
dmm 83,38 kg/s
h3 500 kJ/kg odčitamo v stanju 3 pri T3 = 130 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3
h4 420 kJ/kg
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
Izračunamo moč turbine po enačbi (4.7):
kW,Wt 66704205003883 .
Ob tako nastavljenih parametrih dobimo 6,67 MW električne energije.
Sedaj bomo izračunali toplotni tok kondenzatorja kondQ po enačbi (4.10):
54 hhmQ dmkond , (4.10)
kjer je:
kondQ – toplotni tok kondenzatorja (W),
dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s),
h4 – entalpija v stanju 4 na sliki 4.3 (kJ/kg),
h5 – entalpija v stanju 5 na sliki 4.3 (kJ/kg).
Vrednosti za izračun enačbe (4.10) so zbrane v tabeli 4.7.
Tabela 4.7: Vrednosti za izračun kondQ
Veličina Vrednost
dmm 83,38 kg/s
h4 420 kJ/kg
h5 157 kg/s odčitamo v stanju 5 pri T5 = –32 °C iz p-h diagrama za R245fa na sliki 4.3
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.10) in dobimo:
kW,Qkond 219291574203883 .
Sedaj bomo izračunali masni pretok hladilne tekočine z upoštevanjem enakosti v enačbi
(4.11), ki pomeni, da toliko toplotnega toka, kot ga delovni medij v kondenzatorju odda, ga
hladilna tekočina sprejme (sprememba iz stanja 4 v stanje 5).
Izberemo hladilno tekočino za hlajenje R245fa. Vzemimo na primer raztopino etilen
glikola in vode in sicer 65 % etilen glikola, 35 % vode.
htkond QQ , (4.11)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
kjer je:
kondQ – toplotni tok kondenzatorja (W),
htQ – toplotni tok hladilne tekočine (W).
Toplotni tok hladilne tekočine se izračuna po enačbi (4.12):
htht,phtht TcmQ Δ , (4.12)
kjer je:
htQ – toplotni tok hladilne tekočine (W),
htm – masni pretok hladilne tekočine (kg/s),
ht,pc – specifična toplota hladilne tekočine (J/kgK),
htTΔ – sprememba temperature hladilne tekočine (K).
Vrednosti za izračun enačbe (4.12) so zbrane v tabeli 4.8.
Tabela 4.8: Vrednosti za izračun htm
Veličina Vrednost
htQ 21929 kW
ht,pc 2,943 kJ/kgK odčitamo iz [32] pri T = – 40 °C
htTΔ
določimo. Iz p-h diagrama na sliki 4.3 v stanju 4 odčitamo vstopno temperaturo delovnega
medija T4 = 10 °C. Na podlagi tega podatka določimo izstopno temperaturo hladilne tekočine,
ki naj bo Tht,out = 5 °C. Izstopna temperatura delovnega medija je v stanju 5 enaka T5 = –32 °C,
torej mora biti vstopna temperatura hladilne tekočine še nižja, naj bo na primer Tht,in = –35 °C,
torej je KTTT out,htin,htht 40Δ .
V tabeli 4.8 imamo vse vrednosti za izračun, zato iz enačbe (4.12) izrazimo htm in dobimo
enačbo (4.13), po kateri izračunamo masni pretok hladilne tekočine:
s
kg,
,Tc
Qm
htht,p
htht 3186
409432
21929
Δ
. (4.13)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
Sledi izračun potrebne moči črpalke za spremembo stanja delovnega medija iz stanja 5 v
stanje 1. Črpalka delovnemu mediju izotermno dvigne tlak iz 0,1 bar na 20 bar. Moč
črpalke izračunamo po enačbi (4.14):
pmWdm
dm,č Δρ
1100 , (4.14)
kjer je:
100,čW – moč črpalke pri 100 % izkoristku (W),
dmm – masni pretok delovnega medija (kg/s),
dmρ – gostota delovnega medija (kg/m3),
pΔ – sprememba tlaka (Pa).
Vrednosti, ki jih potrebujemo za izračun enačbe (4.14), so prikazane v tabeli 4.9.
Tabela 4.9: Vrednosti za izračun čW
Veličina Vrednost
dmm 83,38 kg/s
dmρ 1484 kg/m3 iz tabele v [33]
pΔ sprememba tlaka iz stanja 5 v stanje 1. Obvezno moramo podati v Pa zaradi okrajšave enot. p5 =
0,1 bar = 104 Pa, p1 = 20 bar = 20∙10
5 Pa, torej je pΔ = 1,99∙10
6 Pa.
Vrednosti iz tabele 4.9 vstavimo v enačbo (4.14) in dobimo:
kW,,,W ,č 8111109911484
13883 6
100 .
Predpostavimo, da je izkoristek črpalke 70 %, kar pomeni, da potrebujemo večjo moč. To
izračunamo po enačbi (4.15), da za čη vstavimo 0,7:
kW,,
,WW
č
,č
č 715970
8111
η
100
. (4.15)
Nazadnje bomo izračunali termodinamični izkoristek sistema po enačbi (4.16):
%,,,
,
WW
dodgeo
čtTD 8222280
2076257837
71596670η
. (4.16)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
4.3.3 Rezultati in diskusija
Zbrane vrednosti izračunov so v tabeli 4.10.
Tabela 4.10: Zbrane vrednosti izračunov
Veličina Vrednost
Tgeo,in 40 °C
Tgeo,out 38 °C
geoV 50 l/s
geoQ 7837,5 kW
dmm 83,38 kg/s
dodQ 20762 kW
tW 6670 kW
kondQ 21929 kW
htQ 21929 kW
htm 186,3 kg/s
čW 159,7
TDη 22,8 %
Vstopna temperatura geotermalne vode je sicer nizka, ampak je zato relativno velik pretok,
posledično je velik pretok tudi delovnega medija. Glede na to, da smo določili želeno
temperaturo na vstopu v turbino 130 °C (takšna vstopna temperatura je zato, da imamo čim
večjo entalpijsko razliko v turbini, ki pomeni večjo električno moč), moramo veliko
toplotnega toka dovajati iz dodatnega vira, torej iz sončnega podsistema, ki smo ga izbrali
kot prvo opcijo. Če sončni podsistem ne bo sposoben (glede na vrednosti sončnega
obsevanja in vremenske pogoje) generirati toliko toplotnega toka, pošljemo delovni medij
na dodatno segrevanje v podsistem na LBM, da pridemo do temperature delovnega medija
130 °C. V turbini delovni medij ekspandira na tlak 0,1 bar (največ, kolikor je mogoče po p-
h diagramu), tam ima temperaturo 10 °C. Smo v stanju 4 (glej sliko 4.3), torej na območju
pregrete pare. Da pridemo v stanje 5, v katerem delovni medij vstopa v črpalko, moramo
preiti skozi mešano območje. To naredimo tako, da delovnemu mediju v kondenzatorju s
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
40
toplotnim tokom hladilne tekočine odvajamo toploto. Hladilna tekočina mora imeti
primerno temperaturo (določimo jo), torej nižjo vstopno temperaturo, kot je izstopna
temperatura delovnega medija (po odvajanju toplote) v stanju 5. Po rezultatih vidimo, da
rabimo kar velik pretok hladilne tekočine (186,3 kg/s), kar pa ni presenetljivo, saj imamo
83,38 kg/s pretoka delovnega medija in odvedemo 21929 kW toplotnega toka. Ne glede na
vse ima ORC sistem zadovoljiv termodinamični izkoristek – 22,8 %.
4.3.4 Diagram tokov moči
Na sliki 4.5 je prikazan diagram tokov moči v ORC sistemu.
Slika 4.5: Tok moči v ORC sistemu
Iz diagrama na sliki 4.5 vidimo, da je od celotnega dovedenega toplotnega toka le 27,4 %
toplotnega toka iz geotermalne energije in 72,6 % iz dodatnega vira – sončne energije oz.
energije lesne biomase. Skupni vloženi toplotni tok je 28600 kW. V kondenzatorju
odvedemo 21929 kW toplotnega toka. Iz sistema dobimo 6670 kW električne moči, od
tega 159,7 kW (2,4 %) porabi črpalka, neto dobljena električna moč pa je 6510,3 kW.
Izkoristek sistema je razmerje med neto dobljeno močjo in vloženim toplotnim tokom.
Izračunan je v enačbi (4.16) in znaša 22,8 %.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
41
Sedaj, ko smo naredili primer izračuna ORC sistema na sliki 4.1 in besedno ter grafično
ovrednotili rezultate, bomo določili sončni podsistem oz. opisali izbiro sončnih kolektorjev
za ta sistem. Nadalje bomo na kratko predstavili elemente v ORC sistemu.
4.4 OPIS IZBIRE SONČNIH KOLEKTORJEV
4.4.1 Kratek izračun za vakuumske sončne kolektorje
Naredili bomo preprost izračun za vakuumske sončne kolektorje. Izbrali bomo sončne
kolektorje SCM 15-58/1800 [34].
Vzamemo neko vrednost sončnega obsevanja, recimo 800 W/m2. Predpostavimo, da ima
sončni kolektor 75 % izkoristek. Po enačbi (4.17) izračunamo, koliko sončnega obsevanja
lahko izkoristimo:
21 600750800η
m
W,GG k , (4.17)
kjer je:
G – izkoristljivo sončno obsevanje (W/m2),
G1 – dejansko sončno obsevanje (W/m2),
kη – izkoristek kolektorjev.
Glede na podatke v [34] in glede na to, da potrebujemo dodQ = 20762 kW toplotnega toka
iz sončnih kolektorjev, lahko izračunamo, kolikšno površino – enačba (4.18) in koliko
takšnih kolektorjev, če je obsevna površina enega solarnega kolektorja Ak = 1,4 m2 –
enačba (4.19) bi potrebovali za naš sistem.
26
34603600
1076220m
,
G
QA dod
, (4.18)
kjer je:
A – površina sončnih kolektorjev (m2),
dodQ – toplotni tok (W),
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
42
G – izkoristljivo sončno obsevanje (W/m2).
2472041
34603
,A
A
k
kolektorjev, (4.19)
kjer je:
A – površina sončnih kolektorjev (m2),
Ak – obsevna površina enega sončnega kolektorja (m2).
Iz izračunanega lahko sklepamo, da takšni solarni kolektorji ne pridejo v poštev. Sploh pa
nikjer nismo upoštevali, da bi nam morali segreti delovni medij na 130 °C.
Veliko boljša rešitev so parabolični sončni kolektorji v obliki korita (U-oblika).
4.4.2 Parabolični sončni kolektorji – korito
Parabolično korito je vrsta solarnega kolektorja, ki je v eni dimenziji raven in ukrivljen kot
parabola v drugih dveh dimenzijah. Korito je obloženo s poliranim kovinskim ogledalom.
Energija sončne svetlobe, ki vstopa vzporedno z ravnino, je usmerjena vzdolž osrednje
linije. Na sredini po dolžini korita je cev, katero segrevamo z ogledalom, ki je usmerjeno
tako, da sončno svetlobo fokusiramo v cev. V cevi je medij (voda ali mešanica vode in
olja), ki ga s sončno energijo segrejemo na visoko temperaturo. Ta vroč medij lahko
uporabimo za veliko aplikacij – za direktno proizvodnjo električne energije, lahko ga
vodimo v toplotni prenosnik ali v toplotni stroj [35]. Na sliki 4.6 je ilustrirano polje
paraboličnih korit, označeni so glavni deli.
Slika 4.6: Ilustracija polja s paraboličnimi koriti [36]
absorpcijska cev
ogledalo
cevni sistem (delovna tekočina)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
43
Korito je večinoma nameščeno na osi sever-jug, nekatera korita imajo tudi sledenje soncu
preko dneva. Korito je lahko orientirano tudi na osi vzhod-zahod, ampak v tem primeru bi
dobili manjši izkoristek.
4.4.3 Parabolični kolektor: model PTMx-36
Za izračun solarnega sistema izberemo koritast parabolični sončni kolektor podjetja
Soltigua, in sicer model PTMx-36. Kot osnovo za preračun bomo vzeli podatkovni list za
ta sončni kolektor, ki je v prilogi A [37].
Za preračun bomo uporabili enačbo (4.20), ki jo najdemo na 1. strani priloge A za toplotno
moč kolektorjev:
DNISP η , (4.20)
kjer je:
P – toplotna moč (W),
η – izkoristek,
S – neto zbiralna površina (m2),
DNI – ang. Direct Normal Irradiance (direktno pravokotno obsevanje) (W/m2).
Za izračun izkoristka bomo uporabili enačbo (4.21):
DNIT,,KL Δ6407470η , (4.21)
kjer je:
η – izkoristek,
KL – ang. Longitudinal Incident Angle Modifier (IAM) – longitudinalni
spreminjevalec kota,
TΔ – sprememba temperature (K),
DNI – ang. Direct Normal Irradiance (direktno pravokotno obsevanje) (W/m2).
Vrednosti za izračun enačbe (4.21) so zbrane v tabeli 4.11.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
44
Tabela 4.11: Vrednosti za izračun η
Veličina Vrednost
KL 0,861. Izberemo iz tabele na 1. strani v prilogi A pri kotu (kot med naključnimi sončnimi žarki
in pravokotnico na ravnino zaslonke, skozi katero potuje svetloba) 30° za PTMx-36.
TΔ
110 K. TΔ je sprememba temperature med temperaturo medija in zunanjo temperaturo.
Recimo, da je temperatura medija 130 °C in zunanja temperatura 20 °C.
DNI 800 W/m2
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.21) in dobimo:
%,,,, 5656080011064074708610η .
Sedaj imamo vse vrednosti, ki so zapisane v tabeli 4.12 za izračun enačbe (4.20).
Tabela 4.12: Vrednosti za izračun P
Veličina Vrednost
η 0,56
S
82 m2. Vzamemo iz tabele na 2. strani priloge A za PTMx-36 v stolpcu neto zbiralna površina
za en kolektor.
DNI 800 W/m2
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.20) in dobimo:
kW,,P 743680082560 .
Dobili smo toplotno moč enega kolektorja PTMx-36.
Vemo, da za naš sistem rabimo 20762 kW toplotne moči. Z enačbo (4.22) izračunamo,
koliko takšnih kolektorjev bi potrebovali.
5657436
20762
,P
PN cel , (4.22)
kjer je:
N – število kolektorjev,
celP – potrebna moč za sistem (W),
P – moč enega PTMx-36 (W).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
45
Po enačbi (4.23) izračunamo, koliko površine bi toliko kolektorjev pokrilo.
NSS rcel , (4.23)
kjer je:
Scel – celotna površina (m2),
Sr – minimalna zahtevana površina (m2),
N – število kolektorjev.
V tabeli 4.13 imamo vrednosti za izračun enačbe (4.23).
Tabela 4.13: Vrednosti za izračun Scel
Veličina Vrednost
Sr
193 m2. Podatek iz tabele na 2. strani priloge A za PTMx-36 v stolpcu minimalna zahtevana
površina za en kolektor.
N 565
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.23) in dobimo:
2109045565193 mScel .
4.4.4 Rezultati in diskusija
Za dodatno segrevanje delovnega medija v ORC sistemu potrebujemo kar 20762 kW
toplotnega toka. To je visoka številka, zato tudi pridemo do takšnih rezultatov pri
preračunu za sončne kolektorje. Za postavitev PTMx-36 kolektorjev bi potrebovali
približno 11 ha površine, kar je zelo veliko. Potrebno je vedeti tudi, da so bili preračuni
narejeni za fiksno sončno obsevanje (izbrali smo si 800 W/m2), vemo pa, da se količina
sončnega obsevanja iz ure v uro spreminja. Smiselno bi bilo izkoristiti sončno energijo,
ampak mogoče s kakšno drugo vrsto kolektorjev. Ravno zato, ker smo predpostavili, da
bodo rezultati takšni, smo za dodatni podsistem za dogrevanje medija v ORC sistemu
postavili sistem na LBM.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
46
4.5 SISTEM NA LESNO BIOMASO
Za gorivo v sistemu na lesno biomaso bomo uporabili lesne sekance, zato bomo najprej
opisali peč za kurjenje lesnih sekancev. Obstajajo tri osnovne vrste: retortna peč, peč s
predkuriščem in peč z vrivanjem goriva. Pri vseh potrebujemo dovod lesnih sekancev v
kurišče, kar naredimo s polžem. S polžastim prenosom odvajamo tudi pepel iz peči [6].
Za naš sistem na LBM bomo izbrali retortno peč in jo opisali.
4.5.1 Retortna peč na lesne sekance
Retortna peč je manjša, kar pomeni, da je potreben manjši prostor za postavitev. Manjše so
tudi izgube žarčenja zaradi majhne velikosti, posledično ima večji izkoristek [6].
Proces uplinjanja lesa poteka tako, da z dovodnim polžem dovajamo sekance v kurišče, ki
ima obliko krožnika. Pri tem dovajamo tudi primarni zrak. Nad zgorevalnim krožnikom je
zgorevalni obroč, preko katerega se dovaja pregreti sekundarni zrak, s katerim zagotovimo
kakovostno zgorevanje ne glede na obremenitev. Pri zgorevanju nastali vroči plini potujejo
v toplotni prenosnik. Boljše peči imajo še polža za odvod pepela v zalogovnik, nekatere
imajo tudi avtomatsko čiščenje dimnih kanalov [6]. Na sliki 4.7 je shema retortne peči.
Retortne peči so od nekaj deset kW toplotnih moči do več deset MW [38].
Slika 4.7: Shema retortne peči [6]
1
2
3 46
5
7
8
9
10
11
12
13
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
47
Številke na sliki 4.7 pomenijo: 1 – dimni plini, 2 – toplotni prenosnik, 3 – vratca, 4 –
izolacija, 5 – sekundarno gorišče, 6 – termostat, 7 – primarno gorišče, 8 – posoda za pepel,
9 – dovod sekancev, 10 – zapora za ogenj, 11 – dodajalni polž, 12 – naprava za električni
vžig, 13 – nadzor in uravnavanje [6].
4.5.2 Koliko lesnih sekancev potrebujemo?
Kot že vemo, za naš ORC sistem potrebujemo dodQ = 20762 kW toplotnega toka za
dodatno segrevanje delovnega medija. Vemo, da lahko toliko toplote iz sončnih
kolektorjev dobimo samo, ko je prisotno sončno obsevanje. Sistem na LBM bi deloval
samo takrat, ko sončnega obsevanja nimamo. Sedaj bomo preračunali, koliko lesnih
sekancev potrebujemo za ta sistem.
Najprej bomo izračunali, koliko toplote bi potrebovali iz sistema na LBM, če bi deloval
celo leto, 24 ur na dan, nato bomo izračunali, koliko toplote na leto lahko dobimo iz
solarnega podsistema, kar ostane je pa dejanska toplota, ki jo moramo dobiti iz sistema na
LBM.
Če bi sistem na LBM deloval neprekinjeno celo leto, dobimo količino toplote, ki jo mora
zagotoviti po enačbi (4.24) [15]:
tQQ kodod η ,
(4.24)
kjer je:
Q – toplota (Wh),
dodQ – toplotni tok (W),
koη – izkoristek kotla,
t – čas (h).
Vrednosti za izračun enačbe (4.24) so podane v tabeli 4.14.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
48
Tabela 4.14: Vrednosti za izračun Q
Veličina Vrednost
dodQ 20762 kW
koη 0,8. Vzamemo iz primera 4 v [15].
t 8760 h. (24 h ∙ 365 dni)
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.24) in dobimo:
MWh,Q 14550087608020762 .
Sedaj po enačbi (4.25) izračunamo, koliko toplote lahko dobimo iz solarnega podsistema:
obss S,GQ 80 , (4.25)
kjer je:
Qs – toplota (Wh),
G – sončno obsevanje (kWh/m2),
Sobs – obsevana površina kolektorjev (m2).
G je podatek za sončno obsevanje na horizontalno površino, kolektorji v sončnem sistemu
so pa v obliki parabole, zato dodamo v enačbo faktor 0,8, kar pomeni, da upoštevamo 80 %
vrednosti G.
Še prej pa moramo izračunati Sobs, kar storimo po enačbi (4.26):
NSSobs , (4.26)
kjer je:
Sobs – celotna obsevana površina (m2),
S – neto zbirala površina (m2),
N – število kolektorjev.
Vrednosti za izračun enačbe (4.26) so zbrane v tabeli 4.15.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
49
Tabela 4.15: Vrednosti za izračun Sobs
Veličina Vrednost
S
82 m2. Vzamemo iz tabele na 2. strani priloge A za PTMx-36 v stolpcu neto zbiralna površina
za en kolektor.
N 565
Ko vrednosti vstavimo v enačbo (4.26), dobimo:
24633056582 mSobs .
Sedaj imamo vse vrednosti, ki so zbrane v tabeli 4.16 za izračun enačbe (4.25).
Tabela 4.16: Vrednosti za izračun Qs
Veličina Vrednost
G
1250 kWh/m2. Povprečno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji. Podatek je iz
poglavja 2.3.3.
Sobs 46330 m2
Po enačbi (4.25) dobimo:
MWh,Qs 4633046330801250 .
Iz sončnega sistema lahko na leto pridobimo 46330 MWh toplote. Ostanek do 145500
MWh moramo pokriti s sistemom na LBM, kar zapišemo z enačbo (4.27):
sLBM QQQ , (4.27)
kjer je:
QLBM – toplota iz sistema na LBM (Wh),
Q – celotna potrebna toplota (Wh),
Qs – toplota iz solarnega sistema (Wh).
Vrednosti za izračun enačbe (4.27) so zbrane v tabeli 4.17.
Tabela 4.17: Vrednosti za izračun QLBM
Veličina Vrednost
Q 145500 MWh
Qs 46330 MWh
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
50
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.27) in dobimo:
MWhQLBM 9917046330145500 .
Torej iz sistema na LBM potrebujemo še 99170 MWh toplote.
Sedaj lahko po enačbi (4.28) izračunamo, koliko lesnih sekancev bi potrebovali na leto za
takšno količino toplote.
koi
LBMs
H
Qm
η , (4.28)
kjer je:
ms – masa (kg),
QLBM – toplota (kWh),
Hi – kurilnost (kWh/kg),
koη – izkoristek.
Vrednosti za izračun enačbe (4.28) so v tabeli 4.18.
Tabela 4.18: Vrednosti za izračun ms
Veličina Vrednost
QLBM 99170 MWh
Hi 3,4 kWh/kg. Predpostavimo, da lesni sekanci vsebujejo 30 % vode in podatek razberemo iz
tabele 2.2.
koη 0,8.
Sedaj lahko izračunamo enačbo (4.28):
tkg,,
ms 36460364595598043
1099170 3
.
4.5.3 Rezultati in diskusija
Za sistem na LBM potrebujemo relativno veliko lesnih sekancev. Ker pa vemo, da
potrebujemo 20,762 MW toplote, se nam 36460 ton letno ne zdi več tako ogromna
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
51
količina, glede na to, da bi toliko toplote za ogrevanje potrebovalo manjše mesto. Sistem
na LBM bi deloval predvsem ponoči in v zimskih dneh, ko ni sončnega obsevanja oz. ga je
zelo malo.
Za sistem bi lahko uporabili dva kotla na LBM moči 10 MW podjetja Compte fournier inc.
[39]. Na sliki 4.8 je fotografija takšnega kotla.
Slika 4.8: Kotel moči 10 MW [39]
V nadaljevanju bomo naredili primerjavo, koliko CO2 proizvedemo z našim sistemom in
koliko CO2 bi proizvedli, če bi za gorivo uporabili premog, točneje lignit, pri isti količini
proizvedene električne energije.
4.5.4 Koliko CO2 nastane, če bi namesto lesnih sekancev kurili lignit?
V ORC sistemu, ki smo ga opisali, je edini proizvajalec CO2 sistem na lesno biomaso,
ampak pri lesnih gorivih predpostavimo, da so »CO2 nevtralna«.
»Pri lesnih gorivih predpostavljamo, da so »CO2 nevtralna«, kar velja tudi v mednarodnih
metodologijah za izračune nacionalnih bilanc emisij toplogrednih plinov. Pri gorenju lesa
se sprošča ogljik, ki je bil vezan v lesu, vendar se je le-ta v procesu fotosinteze vezal iz
ozračja. Zato se pri izračunavanju neposrednih emisij kurilnih naprav na les emisije CO2 ne
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
52
upoštevajo. Predpostavka o lesu kot CO2 nevtralnem energentu velja le v primeru, da les
izvira iz trajnostno gospodarjenih gozdov [15].«
Izračunali bomo, koliko CO2 bi proizvedli, če bi namesto lesnih sekancev kurili velenjski
lignit. Najprej bomo po enačbi (4.29) izračunali, koliko lignita bi porabili, glede na to, da
vemo, da potrebujemo 99170 MWh toplote.
koi
ll
H
Qm
η , (4.29)
kjer je:
ml – masa lignita (kg),
Ql – toplota (kWh),
Hi – kurilnost (kWh/kg),
koη – izkoristek.
Vrednosti za izračun enačbe (4.29) so v tabeli 4.19.
Tabela 4.19: Vrednosti za izračun ml
Veličina Vrednost
Ql 99170 MWh
Hi 3,42 kWh/kg. Podatek vzamemo iz [40] za kurilnost lignita, ki je 12,31 MJ/kg, kar pretvorimo v
3,42 kWh/kg, saj vemo, da je 1 kWh = 3,6 MJ [6].
koη 0,8.
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.29) in dobimo:
tkg,,
ml 362473624634580423
1099170 3
.
Za proizvodnjo 99170 MWh toplote bi porabili 36247 ton lignita. Sedaj bomo izračunali,
koliko emisij CO2 dobimo pri zgorevanju takšne količine lignita.
Za določitev mase CO2, ki se sprosti pri zgorevanju 1 kg goriva, moramo poznati kemično
sestavo goriva. Zanima nas masni delež ogljika (C) v gorivu. Nadaljnji postopek računanja
je:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
53
- reakcija: C + O2 → CO2
- masna bilanca reakcije: 1 kg C + 2,664 kg O2 = 3,664 kg CO2 [41].
Stehiometrična enačba je podana v enačbi (4.30):
lCCO mw,m 66432 , (4.30)
kjer je:
mCO2 – masa (kg),
wC – masni delež ogljika,
ml – masa lignita (kg).
Vrednosti za izračun enačbe (4.30) so podane v tabeli 4.20.
Tabela 4.20: Vrednosti za izračun mCO2
Veličina Vrednost
wC 0,285. Podatek iz [41] za velenjski lignit.
ml 36246345 kg
Vrednosti vstavimo v enačbo (4.30) in dobimo:
tkg,,mCO 378503784988336246345285066432 .
Proizvedli bi 37850 ton CO2 na leto, če bi namesto lesnih sekancev kurili lignit.
4.6 TOPLOTNI PRENOSNIKI
Splošni kriteriji za izbiro toplotnih prenosnikov so: delovni tlak, delovna temperatura,
značilnosti delovnih tekočin, končna temperaturna razlika, tlačne izgube, velikost toplotnih
prenosnikov in vzdrževanje [42].
Za v ORC sistem bomo izbrali cevne toplotne prenosnike in sicer shell-and-tube toplotni
prenosnik. Gre za toplotni prenosnik sestavljen iz plašča in snopa cevi v njem. Ti
prenosniki so zelo fleksibilni pri projektiranju, saj lahko preprosto spreminjamo osnovno
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
54
geometrijo s spreminjanjem premera cevi, dolžine in razporeditve. Lahko so zasnovani za
visoke tlake glede na okolje in za visoke tlačne razlike med tekočinami. Uporabljajo se
predvsem za prenos toplote tekočina-tekočina ali para-tekočina pri kondenzaciji in
uparjanju [43].
Shell-and-tube toplotni prenosnik je zgrajen iz snopa okroglih cevi, pritrjenih na valjasti
plašč, tako da je os snopa cevi vzporedna osi valjastega plašča. Ena tekočina teče znotraj
cevi, druga pa okoli cevi preko ploščnih pregrad. Glavni sestavni deli tega toplotnega
prenosnika so cevi (snop cevi), plašč, sprednja komora, zadnja komora, pregrade in cevna
stena [43]. Obstaja več variant prehoda tekočine skozi cevi in plašč, na primer: enkratni
prehod skozi cevi in plašč, dvakratni prehod skozi cevi in enkratni skozi plašč, štirikratni
prehod skozi cevi in dvakratni skozi plašč [42]. Skica shell-and-tube toplotnega prenosnika
z enkratnim prehodom tekočine skozi cevi in enkratnim prehodom tekočine skozi plašč je
prikazana na sliki 4.9 [43].
Slika 4.9: Shema toplotnega prenosnika s snopom cevi v plašču [43]
Za sistem bi lahko izbrali toplotni prenosnik podjetja Funke Industrial – Turkiye mdt
engineering systems co. Podatkovni list je v prilogi B [44].
4.7 PARNA TURBINA
Parna turbina pretvarja toplotno energijo iz pare, ki je pod tlakom, v rotacijsko gibanje in
tako pridobiva koristno mehansko delo. Sestavljena je iz fiksno vpetih lopatic na ohišje
vstop vročega fluida vstop hladnega
fluida plašč cevizadnja komora
izstop vročega fluida
izstop hladnega fluida
ploščna pregradasprednja
komora
cevnastena
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
55
statorja in pomičnih lopatic na rotorju, ki je povezan z gredjo. Para z visokim tlakom
najprej pride do fiksno vpetih lopatic statorja, ki usmerijo paro pod določenim kotom.
Kanali, po katerih potuje para, so vse ožji, kar pari poveča hitrost (zakon o ohranitvi mase).
Pospešena para nato teče preko pomičnih lopatic na rotorju, kar povzroča vrtenje rotorja.
Para nato izstopi z manjšo hitrostjo, kot jo je imela ob vstopu v rotor, kar pomeni, da je del
energije predala gredi kot mehansko delo [45]. Na isti gredi, kot je turbinski rotor, je tudi
električni generator, ki mehansko delo pretvarja v električno energijo. Enostavna shema
turbine z generatorjem je na sliki 4.10 [46].
Slika 4.10: Parna turbina in generator [46]
V našem ORC sistemu potrebujemo parno turbino moči 6670 kW. Lahko bi izbrali parno
turbino Siemens SST-111. Tehnični podatki so v prilogi C. Dizajn turbine je na sliki 4.11
[47].
Slika 4.11: Siemens Steam Turbine SST-111 [47]
Parna turbina in generator
Vstop pare
Izstop pare
Lopatice turbine
Elektrika
Generatorsko navitje
Magnetno polje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
56
4.8 OBTOČNA ČRPALKA
Obtočna črpalka omogoča pretok medija v ORC procesu. Uporabljamo centrifugalne
črpalke. Elementi centrifugalne črpalke so: ohišje z dvema odprtinama, sesalni del in
izstopni del, rotor, ki je pritrjen na gred in ga poganja elektromotor. Mehanska energija
rotorja se pretvarja v kinetično energijo, kar pospeši medij in potencialno energijo, kar
poveča tlak medija [48].
Za ORC sistem potrebujemo črpalko, ki je sposobna prečrpati 83,38 kg/s medija, zmore
delovati pri zelo nizkih temperaturah in je moči 160 kW. Recimo, da izberemo črpalko
podjetja Flowserve HWX API 610 (OH3). Dizajn črpalke je na sliki 4.12, tehnični podatki
pa v prilogi D [49].
Slika 4.12: Črpalka Flowserve HWX API 610 (OH3) [49]
Sedaj, ko imamo izbrane tudi elemente za ORC sistem, bi se lahko lotili izdelave pilotnega
projekta za postavitev takšne geotermalne elektrarne.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
57
5 SKLEP
Danes se zelo spodbuja uporaba OVE za proizvodnjo električne energije. Ena izmed
rešitev je bila opisana v tej nalogi, v kateri bi v enem EES uporabili tri različne OVE.
Ugotavljamo, da je temperatura geotermalne vode iz vrtine, ki je smo jo vzeli za vstopni
podatek pri primeru izračuna, prenizka. Sicer imamo relativno velik pretok, ampak vseeno
iz geotermalnega vira še vedno pridobimo samo 27,4 % celotnega vloženega toplotnega
toka v sistem. Vemo pa, da se temperatura viša z globino vrtine, zato bi bilo smiselno
izbrati ali izvrtati globljo vrtino. Takrat bi mogoče izbrali tudi drugačen delovni medij.
Iz sistema smo hoteli pridobiti čim večjo električno moč, zato smo morali vložiti veliko
dodatnega toplotnega toka za dogrevanje medija. Če bi bili zadovoljni z nižjo proizvedeno
električno močjo, bi bila potrebna količina dodatnega toplotnega toka za sistem bistveno
manjša in ne bi bilo potrebno pokriti tako velike površine s sončnimi kolektorji oz.
inštalirati enote na biomaso tako velikih moči.
Zastavili smo si osnovni ORC sistem. Za boljše izkoristke bi ga lahko posodobili v ORC
sistem z rekuperacijo. Naloga je lahko tudi izhodišče za ekonomski preračun takšnega ali
podobnega sistema.
Kot smo že ugotovili, moramo pri načrtovanju takšnega sistema veliko stvari predpostaviti
in določiti, zato imamo še veliko manevrskega prostora pri optimiranju, le vprašati se
moramo, kaj nam je pomembno: npr. čim večja električna moč, čim večji termodinamični
izkoristek, čim manjši pretok delovnega medija, čim manjši pretok hladilne tekočine, čim
bolj okoljsko sprejemljivi in zdravju neškodljivi mediji, čim boljši ekonomski izkoristek in
še bi lahko naštevali. Potrebno bi bilo izbrati neko srednjo pot, ki pa je odvisna od vsakega
načrtovalca posebej.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
58
VIRI IN LITERATURA
1 Češek, K. Izraba geotermalne energije v Posavju: Diplomsko delo: Univerza v
Mariboru, Fakulteta za energetiko, 2011. Dostopno na: http://dkum.uni-
mb.si/Dokument.php?id=26270 [15.7.2013].
[2] Langerholc, N. Primerjava geotermalnega potenciala in rabe geotermalne energije
v Sloveniji in na Islandiji. Diplomsko delo: Univerza v Ljubljani, Filozofska fakulteta,
Oddelek za geografijo, 2008. Dostopno na: http://geo2.ff.uni-
lj.si/pisnadela/pdfs/dipl_200810_nina_langerholc.pdf [15.7.2013].
[3] Radanovič, T. Primerjava sledilnih in nepremičnih sončnih elektrarn. Diplomsko
delo: Univerza v Mariboru, Fakulteta za energetiko, 2011. Dostopno na: http://dkum.uni-
mb.si/Dokument.php?id=26193 [17.7.2013].
[4] Types of Solar Collectors. Dostopno na: http://www.ecoshift.ca/Types-of-Solar-
Collectors.html [30.7.2013].
[5] Krajnc, N., Piškur M. Kakovost lesnih goriv, Drva in lesni sekanci. Gozdarski
inštitut Slovenije, Ljubljana, 2011. Dostopno na:
www.gozdis.si/data/publikacije/7_katalog_Drva_lesni_sekanci.pdf [2.8.2013].
[6] Vovčko, B. Izraba lesne biomase v Posavju. Diplomsko delo: Univerza v Mariboru,
Fakulteta za energetiko, 2011. Dostopno na: http://dkum.uni-
mb.si/Dokument.php?id=26172 [2.8.2013].
[7] Republika Slovenija, Ministrstvo za infrastrukturo in prostor, Informacijski portal
energetika, Strateški razvojni dokumenti, Nacionalni energetski program. Dostopno na:
http://www.energetika-portal.si/dokumenti/strateski-razvojni-dokumenti/nacionalni-
energetski-program/ [30.7.2013].
[8] Osnutek predloga Nacionalnega energetskega programa Republike Slovenije za
obdobje do leta 2030: »aktivno ravnanje z energijo«. 2011. 1.4 izdaja. Ljubljana, Institut
»Jožef Stefan«, Ljubljana, Slovenija, Center za energetsko učinkovitost (CEU).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
59
[9] Klančnik, B. Regionalni energetski koncept za savinjsko regijo. Diplomsko delo:
Univerza v Mariboru, Fakulteta za energetiko, 2013. Dostopno na: http://dkum.uni-
mb.si/Dokument.php?id=54627 [2.8.2013].
[10] Geotermična karta. Dostopno na: http://www.geo-
zs.si/UserFiles/File/geoterm_karta.jpg [2.8.2013].
[11] Seznam vrtin. Dostopno na: http://www.geo-
zs.si/UserFiles/677/File/Projekti_PDF/Skladisce_vrtin/Arhiv%20vrtin,%20vezanih%20na
%20Dovoljenja%20za%20raziskave.pdf [2.8.2013].
[12] Sončno obsevanje v Sloveniji. Dostopno na: http://pv.fe.uni-lj.si/ObsSLO.aspx
[5.8.2013].
[13] Izračun obsevanja v Sloveniji. Dostopno na: http://pv.fe.uni-lj.si/CalcObs.aspx
[5.8.2013].
[14] Lesna zaloga, prirastek in posek. Dostopno na: http://www.zgs.gov.si/slo/gozdovi-
slovenije/o-gozdovih-slovenije/lesna-zaloga/index.html [10.8.2013].
[15] Gozdarski inštitut Slovenije. Lesna goriva. Drva in sekanci. Proizvodnja, standardi
kakovosti in trgovanje. Ljubljana: Gozdarski inštitut Slovenije, Založba Silva Slovenica,
2009. Dostopno na: www.gozdis.si/data/publikacije/10_lesna_goriva_prirocnik.pdf
[10.8.2013].
[16] DiPippo, R. Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and
Environmental Impact, Third Edition. Waltham, MA, USA: Butterworth-Helnemann –
Elsevier, 2012.
[17] Korištenje geotermalne energije. Dostopno na: http://www.eihp.hr/hrvatski/geoen-
kge.htm [14.8.2013].
[18] Walraven, D. Laenen, B. D'haeseleer, W. Comparison of thermodynamic cycles for
power production from low-temperature geothermal heat sources. Energy Conversion and
Management, 66, (2013), 220-233.
[19] Quoilin, S. Van Den Broek, M. Declaye, S. Dewallef, P. Lemort, V. Techno-
economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems. Renewable and Sustainable
Energy Reviews, 22, (2013), 168-186.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
60
[20] Oprešnik, M. Termodinamika, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo.
Ljubljana: 1974.
[21] Vetter, C. Wiemer, H.-J. Kuhn, D. Comparison of sub- and supercritical Organic
Rankine Cycles for power generation from low-temperature/low-enthalpy geothermal
wells, considering specific net power output and efficiency. Applied Thermal Engineering,
51, (2013), 871-879.
[22] Saleh, B. Koglbauer, G. Wendland, M. Fischer, J. Working fluids for low-
temperature organic Rankine cycles. Energy, 32, (2007), 1210-1221.
[23] Masheiti, S. Agnew, B. Walker, S. An Evaluation of R134a and R245fa as the
Working Fluid in an Organic Rankine Cycle Energized from a Low Temperature
Geothermal Energy Source. Journal of Energy and Power Engineering, 5, (2011), 392-
402.
[24] Gozdur, A. B. Nowak, W. Comparative analysis of natural and synthetic
refrigerants in application to low temperature Clausius – Rankine cycle. Energy, 32,
(2007), 344-352.
[25] Guo, T. Wang, H. Zhang, S. Fluid selection for a low-temperature geothermal
organic Rankine cycle by energy and exergy, Asian-Pacific Power and Energy Engineering
Conference (APPEEC), Chengdu, China, March 28-31, 2010.
[26] Soffientini, C. Zyhowski, G. J. Spatz, M. W. HFC-245fa: An overview of
properties and applications. Dostopno na:
http://www.centrogalileo.it/nuovaPA/Articoli%20tecnici/INGLESE%20CONVEGNO/HO
NEYWELLinglese.doc [22.8.2013].
[27] Krautov strojniški priročnik: 14. slovenska izdaja, predelana. Ljubljana: Littera
picta, 2007.
[28] Organic Rankine Cycle – ORC, ORC–Prozess. Dostopno na: http://www.hs-
bremen.de/internet/einrichtungen/fakultaeten/f5/abt1/forschung/labore/energetik/wt/orc/orc
-figure4.png [22.8.2013].
[29] Pressure-Enthalpy Diagram for Refrigerant 245fa. Dostopno na:
http://3.bp.blogspot.com/-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
61
1hkQLDKSrbs/Tn40EZPBurI/AAAAAAAAA8M/ByGLf2lb6e8/s1600/R245fa-
713387.jpg [22.8.2013].
[30] Lapanje, A. Geotermalni viri severne in severovzhodne Slovenije: Dravograd: RRA
Koroška, regionalna razvojna agencija za Koroško; Ljubljana: Geološki zavod Slovenije,
2007. Dostopno na: http://www.rra-
koroska.si/files/Geotermalni_viri_S_in_SV_Slovenije_web.pdf [22.8.2013].
[31] Reindl, J. Shen, H. Bisiar, T. Reservoir Engineering: An Introduction and
Application to Rico, Colorado, Geothermal Energy – MNGN598, Dr. Masami Nakagawa,
2009. Dostopno na: http://www.ricocolorado.org/gov/geothermal/Reservoir_Engineering-
Introduction_and_Application_to_Rico_CO.pdf [22.8.2013].
[32] Ethylene Glycol Heat-Transfer Fluid, Specific Heat Capacity of Ethylene Glycol
based Water Solutions. Dostopno na: http://www.engineeringtoolbox.com/ethylene-glycol-
d_146.html [23.8.2013].
[33] R-245fa Technical Information. Dostopno na: http://gobestech.com/R-245fa.html
[23.8.2013].
[34] SCM 15-58/1800. Dostopno na: http://www.solarko.si/vakuumski_soncni_kolektor
[23.8.2013].
[35] Parabolic trough. Dostopno na: http://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_trough
[23.8.2013].
[36] Parabolic Trough Solar Field Technology. Dostopno na:
http://www.nrel.gov/csp/troughnet/solar_field.html [23.8.2013].
[37] PTMx Parabolic Trough Collector – Technical data sheet. Interno gradivo podjetja
SoltiguaTM
. Spletna stran podjetja: http://www.soltigua.com/ [25.8.2013].
[38] Kako kurimo z biomaso. Dostopno na: http://www.biotherm.si/cms/node/94
[25.8.2013].
[39] Compte fournier, Biomass boilers. Dostopno na: http://www.compte-
fournier.com/Industrial-Design/boilers.htm [26.8.2013].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
62
[40] Generatorji toplote – Predavanje, Zgorevanje in posledica uporabe goriv na
okolju, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo. Dostopno na: http://lab.fs.uni-
lj.si/kes/generatorji_toplote/gt-predavanje-03.pdf [3.9.2013].
[41] Energetska proizvodnja – Zgorevanje, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za
strojništvo. Dostopno na: http://lab.fs.uni-lj.si/kes/energetska_proizvodnja/ep-predavanje-
t04.pdf [3.9.2013].
[42] Avsec, J. Toplotni prenosniki – predavanja 1. Univerza v Mariboru, Fakulteta za
energetiko. Krško: 2011.
[43] Shah, R. K. Sekulić, D. P. Fundamentals of Heat Exchanger Design. Hoboken,
New Jersey, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2003.
[44] Funke Industrial – mdt. Dostopno na: http://www.funke-
tr.com/indexEN/default.asp [26.8.2013].
[45] Predin, A. Optimiranje energetskih sistemov – predavanja. Univerza v Mariboru,
Fakulteta za energetiko. Krško: 2011.
[46] Turbine Generator. Dostopno na:
http://geothermal.marin.org/geopresentation/images/img038.jpg [30.8.2013].
[47] Siemens Steam Turbines, Steam Turbine SST-111 (up to 12 MW). Dostopno na:
http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/steam-turbines/sst-111.htm
[30.8.2013].
[48] Predin, A. Oskrbovalni sistemi – predavanja. Univerza v Mariboru, Fakulteta za
energetiko. Krško: 2009.
[49] Flowserve, Pumps. Dostopno na: http://www.flowserve.com/Products/Pumps
[30.8.2013].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
63
PRILOGE
5.1 PRILOGA A: PTMx PARABOLIC TROUGH COLLECTOR
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
64
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
65
5.2 PRILOGA B: FUNKE – MODEL SERIES BCF/P, CCF/P, SSCF/P
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
66
5.3 PRILOGA C: SIEMENS STEAM TURBINE SST-111
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
67
5.4 PRILOGA D: FLOWSERVE – HWX API 610 (OH3)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
68
5.5 PRILOGA E: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE
VERZIJE ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV
DIPLOMANTOV
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
69
5.6 PRILOGA F: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA
IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA
Podpisani izjavljam, da je to zaključno delo v celoti moje avtorsko delo. Pri izdelavi sem
upošteval Navodila za izdelavo zaključnega dela, ki se uporabljajo na Fakulteti za
energetiko Univerze v Mariboru ter navodila mentorja.
podpis avtorja zaključnega dela:
_______________________________
Recommended