Kuro elementas ar vidaus degimo variklis nedidelėje kogenetorinėje?

Vilniaus Gedimino technikos universitetasŠildymo ir vėdinimo katedra

Giedrė Streckienė, doktorantėprof. Vytautas Martinaitis, vadovas

2

Tyrimo tikslas

Tikslas – palyginti dvi kogeneracines technologijas nedidelės galios kogenetorinėje

Viena iš jų vidaus degimo variklis – jau plačiai naudojama technologija

Kita – kuro elementas – dar tik pradedanti įsitvirtinti technologija komerciniame pasaulyje

3

Kogeneracija

Kogeneracija – bendra elektros ir šilumos gamyba

Nacionalinėje energetikos strategijoje numatyta pasiekti, kad elektros energija, pagaminta kogeneracijos būdu, iki 2020 m. sudarytų ne mažiau kaip 35 % visos pagamintos energijos

Pagrindiniai kogenetorinių tipai: Garo turbina; Dujų turbina; Vidaus degimo variklis; Kombinuoto ciklo įrenginys; Kuro elementas; kt.

4

Vidaus degimo variklis (VDV)

Vienas iš populiariausių nedidelės ir vidutinės galios kogeneracijos būdų

Vidaus degimo variklis - tai variklis kuriame dujos ar skystas kuras, sudegintas degimo kameroje, dujų plėtimasis veikia stūmoklį, o šis suka elektros generatorių

Kuras – dujos, biodujos, dyzelinis kuras

Tipinis elektros generavimo efektyvumas tokiose sistemose yra 35 – 40%. Apie 90% variklyje išskiriamos šilumos naudingai panaudojama pastatų šildymui ir karšto vandens ruošimui

Tinka naudoti, kai elektros/šilumos poreikis yra cikliškas ir nepastovus. Egzistuoja žemų/vidutinių temperatūrų vandens poreikis

5

Kuro elementas (KE)

Kuro elementai yra elektrocheminiai įrenginiai, kurie reakcijos cheminę energiją tiesiogiai paverčia į elektros energiją. Visa laisvoji Gibso energija transformuojama į nuolatinę srovę kartu su šilumos likučiu

KE yra sudarytas iš elektrolito sluoksnio, besiribojančio su porėtu anodu ir katodu

Elektros energijos generavimo procesas nėra apribotas Karno ciklu, kaip yra tradiciniuose energijos transformavimo įrenginiuose

Likutinė šiluma gali būti verčiama į darbą, naudojant standartinius įrenginius, kuriems taikomas Karno ciklo naudingumo koeficientas.

Pagal naudojamą elektrolitą ir darbo temperatūrą KE skirstomi į tokius pagrindinius tipus: šarminiai (AFC), protonų mainų membranos (PEMFC), tiesioginiai metanolio (DMFC), fosforo rūgšties (PAFC), lydytų karbonatų (MCFC), kietojo oksido (SOFC)

6

Kietojo oksido kuro elementas (SOFC)

SOFC darbo metu elektrodo srityje redukuojamos darbinės dujos – gaunami deguonies jonai, kurie migruoja per elektrolitą. Deguonies jonai reaguoja su H2 ar CO ir susidaro H2O ar CO2 ir elektronai

Darbo metu dėl aukštos temperatūros (800-1000 ˚C) kaip šalutinis produktas išsiskiria aukštos kokybės šiluma, kuri gali būti panaudota kogeneracijai arba leidžia šią technologiją derinti su kombinuoto ciklo įrenginiais

Modulinė ir kieta konstrukcija. Elektrolitas yra kietas, neporėtas metalo oksidas (dažniausiai cirkonio oksidas su itrio priemaišomis)

Lankstumas kurui (H2, metanas, gamtinės dujos, propanas) ir suderinamumas su aplinka;

Didelis efektyvumas (~85 %) Palyginti ilgaamžiai

7

Ekserginis naudingumo koeficientas

Ekserginis (termodinaminis) naudingumo koeficientas:

elektrinis naudingumo koeficientasšilumos srauto ekserginis naudingumo koeficientassistemos pagamintas elektros darbasšilumos srauto eksergijakuro srauto eksergija

apsupties temperatūra

sistemos (kūno) temperatūra atiduodamas šilumos srautas

0,10,2

0,30,42

0,5

0,7

10,88

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Organinio kuro katilas žematemperatūriniam šildymui

Variklis/šilumos siurblys žematemperatūriniam šildymui

Fotoelementai

Vėjo jėgainės

Elektros ir kogeneracinės jėgainės

Kuro elementai

Hidroelektrinės

Viršutinė riba (idealus termodinaminis procesas)

;

f

Qetheex

E

EW

Q

T

TE aQ 1

eth

eW

QE

fE

aT

T

Q

8

Privalumai ir trūkumai

Technologija Privalumai Trūkumai

Vidaus degimo varikliai

(VDV)

Aukštas elektros generavimo efektyvumas plačiame apkrovimo intervale;Santykinai mažesnės investicijos, tenkančios 1 kWe;Platus įrenginių galios spektras;Galimybė dirbti daliniu apkrovimu, išlaikant aukštą efektyvumą;Greitas paleidimas (iki 15 sek.);Galimybė dirbti, naudojant mažesnio slėgio dujas;Gali dirbti atskirtas nuo bendro tinklo.

Reikia pastoviai aušinti, net jei šiluma nepanaudojama;Žemas gaminamos elektros energijos ir įrenginio svorio santykis, reikia tvirto pagrindo;Aukštas žemo dažnio triukšmo lygis, dėl judamų dalių vibruoja ir skleidžia triukšmą bei greitai dėvisi.

Kuro elementai

(KE)

Žemas emisijų ir triukšmo lygis;Aukštas efektyvumas, kintant apkrovai;Modulinė struktūra, trumpas montavimo laikas;Automatizuotas veikimas, greitas apkrovimo kitimas, lengvas aptarnavimas;Galima kuro įvairovė;Įvairus šilumos ir elektros santykis;Priklausomai nuo konstrukcijos ir tipo gaunama aukštos/žemos temperatūros šiluma.

Didelės investicijos;

Kuro elementų su skystais elektrolitais korozija;

Kai kurių tipų jautrumas priemaišoms;

Jei kuras naudojamas vandenilis – jo gavyba.

9

Objekto charakteristikos

Šildomas plotas: 20 299 m2

Pagrindiniai pastatai: septyni stacionariniai skyriai ir poliklinika

Norminiai šilumos poreikiai: Patalpų šildymas: 3 420 MWh Patalpų vėdinimas: 1 116 MWh Karšto vandens ruošimas: 1 464 MWh

Iš viso: 6 000 MWh Šilumos tiekimo sistemos galia: 3 300 kW Šalčio gamybos sistemos galia: 525 kW Ligoninės pastatų

kompleksas

10

Šilumos ir elektros poreikių kitimas

Gegužės mėn.

0

50

100

150

200

250

300

00.0

0

02.0

0

04.0

0

06.0

0

08.0

0

10.0

0

12.0

0

14.0

0

16.0

0

18.0

0

20.0

0

22.0

0

kW

Vasario mėn.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

00.0

0

02.0

0

04.0

0

06.0

0

08.0

0

10.0

0

12.0

0

14.0

0

16.0

0

18.0

0

20.0

0

22.0

0

kW

Karšto vandens poreikis

0

50

100

150

200

250

300

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

kW

Karšto vandens poreikisElektros poreikis

Šilumos poreikis per metus patalpų šildymui

11

Ką pasirinkti?

Kuro elementas ar vidaus degimo variklis?

12

Investicijos

Sistema su KE Investicijos: ~4,4 mln. Lt

Sistema su VDV Investicijos: ~2,9 mln. Lt

VDV18%

Katilas28%

ŠS48%

Akumuliacinis bakas

6%

Pagrindiniai sistemos įrenginiai: kogeneratorius (200 kWe), katilas (2500 kW), šilumos siubliai (660 kW) ir akumuliacinis bakas (30 m3)

KE47%

Katilas18%

ŠS31%

Akumulicinis bakas4%

13

Šilumos poreikių užtikrinimas

Sistema su kuro elementu KE – 22,2% Katilas – 43,9% Šilumos siurblys – 33,9%

Sistema su vidaus degimo varikliu VDV – 28,3% Katilas – 41,7 % Šilumos siurblys – 30,0%

14

Šildymo sezono kogenetorinės darbas

Sistema su KE Sistema su VDV

Apatinėje paveikslo dalyje parodytas akumuliacinio bako darbo grafikas. Akumuliacinis bakas nenaudojamas, nes šildymo periodu dažniausiai visa kogeneratoriuje pagaminama šiluma yra suvartojama. Akumuliacinio bako darbas pastebimas vasaros laikotarpiu

15

Vasaros sezono kogenetorinės darbas

Sistema su KE Sistema su VDV

Akumuliacinis bakas užpildomas šilumnešiu tik kogeneratoriuje pagaminamos šilumos pertekliumi, kai poreikis šilumai yra mažesnis nei jos gamyba. Taip dažniausiai atsitinka vasaros metu, kada šilumos poreikis nedidelis tik karšto vandens ruošimui, o elektros poreikis tik šiek tiek sumažėja. Todėl perteklinė šiluma nukreipiama į akumuliacinį baką.

16

Sistemų su KE ir VDV palyginimas

Metiniai rodikliai KE (200 kWe) VDV (200 kWe)

Sistemos gamtinių dujų suvartojimas, tūkst. m3 648,3 611,3

Pagaminta elektra, MWh 1693,6 1437,4

Pateika elektros į tinklus, MWh

118,4 70,5

Pirkta elektra iš tinklų, MWh 837,2 1010,1

Kogeneratoriaus pagaminta šiluma, MWh

1331,2 (22,2%) 1696,1 (28,3%)

Įrenginio veikimo trukmė, h 8468,0 7186,8

17

Ekonominiai rezultataiPaprastas atsipirkimo laikas (PAL)

0

2

4

6

8

10

12

Be elektros pardavimo Su elektros pardavimu

Pap

rast

as a

tsip

irkim

o la

ikas

(P

AL)

, m

etai

KE VDV

• Kogeneratoriaus ilgaamžiškumas 10 metų

• Variantuose su elektros pardavimu – elektra superkama po 13,5 ct/kWh (be PVM)

• CO2 teršalai ekonominiuose skaičiavimuose nevertinami

18

Ekonominiai rezultataiGrynoji dabartinė vertė (GDV)

Diskonto norma – 7 % Skaičiuojamasis laikotarpis – 15 metų

-1500000

-1000000

-500000

0

500000

1000000

1500000

Be elektros pardavimo Su elektros pardavimu

Gry

noji

daba

rtin

ė ve

rtė

(GD

V),

Lt

KE VDV

19

CO2 ir NOx teršalų emisijos

0

100

200

300

400

500

600

700

KE VDV

CO

2, g

/kW

h

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

KE VDV

NO

x, g

/kW

h

Pateikiamos tik kogeneratorių teršalų emisijos (200 kWe)

Naudojamas kuras – gamtinės dujos

CO2 teršalai NOx teršalai

20

Diskonto normos įtaka grynajai dabartinei vertei

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3% 4% 5% 6% esama (7%) 8% 9%

GD

V,

tūks

t. L

t

KE (1) KE (2) VDV (1) VDV (2)

Žymėjimai:KE(1) – sistema su kuro elementu, kai elektra naudojama tik savo tikslamsKE(2) – sistema su kuro elementu, kai galima parduoti elektrą tinklamsVDV(1) ir VDV (2) – atitinkamai sistemos su vidaus degimo varikliu, kai elektra naudojama savo reikmėms ir perteklių galima parduoti tinklams

21

Investicijų į kuro elementą įtaka

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

SOFC investicijos, $/kW

GD

V,

tūks

t. L

t

KE (1) KE (2)

Esamos investicijos į KE yra apie 3500 $/kW

22

Išvados

Esamomis sąlygomis, ekonomiškai galima pagrįsti tik sistemą su VDV. Abu atvejai, kai elektra vartojama tik savo tikslams ar perteklius parduodamas sistemoje su VDV, turi teigiamą grynąją dabatinę vertę, atitinkamai 1.150 tūkst. Lt ir 1.265 tūkst. Lt

Kuro elementai ekologiškai ir termodinamiškai patrauklesnė technologija dėl didesnio potencialo išnaudoti kure esančią energiją

Sistema su KE būtų ekonomiškai naudinga, jei santykinės investicijos į KE sumažėtų bent iki 2400 $/kW

AČIŪ UŽ DĖMESĮ