Rosnące ceny energii elektrycznej oraz dbałość o środowisko naturalne powodują, że jednym z głównych celów UE jest ograniczenie zużycia i eliminacja strat energii elektrycznej.
W celu poprawy efektywności wykorzystania energii z pierwotnych źródeł stosowane są układy kogeneracyjne (biorąc pod uwagę wartość kogenerowanych mocy mogą to być układy gazowo - parowe, parowe wykorzystujące silniki spalania zewnętrznego oraz wewnętrznego) nazywane w skrócie CHP - Combined heat and Power [3] oraz coraz bardziej rozpowszechniane układy Trigeneracyjne CCHP - Combined Cooling, Heating and Power (zintegrowane wytwarzanie ciepła, energii elektrycznej oraz chłodu) [4, 5]. W Polskich sieciach energetycznych występują wysokie straty przesyłu (linie dystrybucyjne) dochodzące nawet do 20% [6]. Aby zmniejszyć straty przesyłu na liniach energetycznych polityka energetyczna zmierza w kierunku zmniejszenia odległości dostawcy od odbiorcy energii [7, 8]. Strategia ta polega na rozproszeniu źródeł energii co ma prowadzić do powstawania wielu mniejszych biogazowni, spalarni biomasy, mikrosiłowni, które będą zaopatrywały w energię elektryczną lokalne tereny. Dodatkowo wyposażone będą w wysokosprawne układy kogeneracyjne (za układ kogeneracyjny wysokosprawny uważa się system, który po dołączeniu do podstawowego układu podwyższa jego sprawność ogólną o co najmniej 10% [9]). Konsumenci energii elektrycznej mogą stać się jej producentami (nazywa się ich wówczas prosumentami) [10].
Sprawność wytwarzania energii przez elektrownie można zwiększyć poprzez wzrost temperatury wody zasilającej, obniżenie ciśnienia w skraplaczu, obniżenie temperatury wylotowej spalin oraz przez wzrost ciśnienia i temperatury pary [11]. W niniejszym artykule przedstawione zostaną zalety pary ultra - nadkrytycznej.
2. Kogeneracja rozproszona
Silne przekonanie, że silnik parowy wypełnił już swą misję okazuje się błędne. Autorzy w pracy [12] wyliczają kolejne kierunki rozwoju przed maszynami parowymi (głównie energetyka rozproszona). Do tych kierunków zaliczyć należy wykorzystanie biomasy, decentralizację zaopatrzenia w ciepło oraz konieczność rozwoju energetyki w małych regionach - gminach i powiatach (możliwie najbliżej odbiorcy). Obecnie przy opracowywaniu koncepcji ciepłowni w małych miastach przewiduje się wykorzystanie biopaliw takich jak słoma, zrębki drewna, bioolej czy też biogaz. Funkcja ciepłowni zostaje rozszerzona o możliwość wytwarzania energii elektrycznej w oparciu o rozprężarki, którymi będą maszyny wyporowe a w szczególności tłokowe.
Tłokowe silniki spalinowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami w układach kogeneracyjnych małej mocy. W znacznej mierze wynika to z ich stosunkowo niskiej ceny (możliwości adaptacji bloków tradycyjnego silnika spalinowego). Moce silników, które są oferowane przez producentów zawierają się w granicach od 5 kW do 50 MW. W [13] autorzy proponują następujący podział tych silników stosowanych w stacjonarnych układach CHP (mikrokogeneracji):
silniki gazowe z zapłonem iskrowym (zakres małych mocy),
silniki dwupaliwowe zasilane paliwem gazowym oraz niewielką dawką paliwa ciekłego w celu inicjowania zapłonu mieszanki (zakres średnich mocy),
silniki wysokoprężne (moce największe)
Układy kogeneracyjne z silnikami tłokowymi budowane są jako jednostki pracujące ze stałą prędkością obrotową - dla mniejszych jednostek prędkość obrotowa wynosi 1000 i 1500 obr/min, zaś dla jednostek o mocy kilku megawatów i większych prędkość obrotowa jest rzędu 500 - 750 obr/min (są to jednostki wolnoobrotowe).
W układach kogeneracyjnych z silnikami tłokowymi można odbierać ciepło (rysunek 2):
z obiegu wody chłodzącej,
z obiegu oleju smarnego,
poprzez chłodzenie mieszanki doładowanej za turbosprężarką,ze spalin wylotowych.
3. Para ultra nadkrytyczna
Para ultra nadkrytyczna to para której ciśnienie i temperatura znacząco przewyższają ciśnienie i temperaturę punktu krytycznego (p=225.5 bar, T=647 K). Ponadto nie ma granicy między wodą i parą (rysunek 5). Dla temperatury 923K i ciśnienia 350 bar oddalamy się znacząco od parowego obszaru stanu wody ograniczonego na rysunku 3 linią ciągłą.
Obecnie rozwijane są technologie wykorzystujące parę ultra nadkrytyczną (pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą - rysunek 4).
4. Zastosowania pary ultra nadkrytycznej
Zastosowanie pary ultra nadkrytycznej o wyższym ciśnieniu i temperaturze wpływa na wzrost sprawności elektrowni netto (z uwzględnieniem potrzeb własnych- rysunek 6) lecz wymaga stosowania lepszych jakościowo materiałów na kotły energetyczne.
Przykładem takiego materiału może być Inconel 617. Na rysunku 7 przedstawiono krzywą granicznego naprężenia w zależności od temperatury dla Inconel 617. Widać, że wysoka zawartość niklu (ponad 44%) podwyższa właściwości termiczne stopu Inconel 617. Może on pracować w temperaturze 700°C przy ciśnieniu powyżej 350 bar. Jest to więc przykład materiału, który znalazł zastosowanie w technologiach (USC - ultra critical steam).
Poprawę i podwyższenie sprawności bloków energetycznych [17] kocioł - turbina - generator osiąga się na etapie projektowania m.in. poprzez wzrost temperatury wody zasilającej, obniżenie ciśnienia w skraplaczu, obniżenie temperatury wylotowej spalin oraz przez wzrost ciśnienia i temperatury pary. Zakłada się, że przez wzrost ciśnienia osiągnąć można przyrost sprawności Δη = 0,005%/bar a poprzez wzrost temperatury przyrost Δη = 0,011%/°C [10]. Korzyści ekonomiczne wynikające z tego sposobu podnoszenia sprawności zależne są od ceny paliwa. Według [19] pierwszy na świecie duży blok na parametry ultra nadkrytyczne pary 345 bar i 649°C z podwójnym przegrzewem wtórnym 566/566°C o mocy 325 MW uruchomiony został w USA w roku 1959 w elektrowni Eddystone, należącej do Philadelphia Electric Co. Dyspozycyjność tego bloku była jednak bardzo niska, głównie z powodu nieodpowiedniej jakości materiałów. W konsekwencji amerykanie wycofali się z technologii USC jednak obecnie ta technologia powraca dzięki nowym jakościowo materiałom [17, 18].
W nowoczesnych siłowniach parowych najczęściej temperatura pary przegrzanej przy dopływie do turbiny przekracza 600°C co wymaga stosowania materiałów droższych np: stali austenitycznych bądź w przypadku siłowni na parę ultra nadkrytyczną stopów niklu. Wówczas parametry pary mogą przekroczyć ciśnienie 350 bar i temperaturę 700°C (rysunek 8).
5. Podsumowanie
W pracy przedstawiono obecne trendy rozwojowe w Polskiej energetyce rozproszonej. Przedstawiono rolę układów kogeneracyjnych dla Polskiego przemysłu energetycznego uwzględniając realizację Energy Package dla Polski do roku 2020.
Zwrócono uwagę na własności i możliwości zastosowania pary ultra- nadkrytycznej oraz materiały jakie są stosowane do technologii USC.
Literatura:
[1] http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm - aktualizacja 2014.
[2] Gabryś H., L. "Elektroenergetyka w Polsce w roku 2012 w świetle bilansu energii za rok 2011 i nie tylko", Energetyka, str 139-142, 2012.
[3] Christos A. Frangopolous" A method to determine the power to the ratio, the cogenerated electricity and the primary energy savings of cogeneration systems after the European Directive", Energy, No. 45, pp-52-61, 2012.
[4] Puig-Arnavant M., Bruno J. C., Coronas A. " Modeling of trigeneration configurations based on biomass gasification and comparison of performance", Applied Energy, No. 114, pp.845-856, 2014.
[5] Nosrat A., Pearce J. M. " Dispatch strategy and model for hybrid photovoltaic and trigeneration power systems", Applied Energy, No. 88, pp. 3270-3276, 2011.
[6] http://www.ekonomia.rp.pl/artykul/649811.html- aktualizacja 2014.
[7] Kiciński J., "Siłownie kogeneracyjne energetyki rozproszonej skojarzone z układami produkcji paliw z biomasy" (http://www.imp.gda.pl/bioenergy/biznes /kogeneracja-biomasa.pdf).
[8] Drążek P., "Uwarunkowania rozwoju rynków lokalnych", Rynek Energii 5/2010.
[9] Prawo Energetyczne - Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997- ujednolicona na dzień 1 stycznia 2014.
[10] Popczyk J., "Energetyka rozproszona", Polski Klub Ekologiczny Okręg Mazowiecki, Warszawa, 2011.
[11] Szargut J. "Termodynamika techniczna", wyd. PWN, Warszawa 1991.
[12] Gnutek Z., Kordylewski W. "Maszynoznawstwo energetyczne", Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2003.
[13] Kacejko P. "Inżynieria elektryczna i informatyczna w nowych technologiach elektroenergetycznych", wyd. Nowoczesna Edukacja, Lublin, 2011.
[14] Skorek J., Kalina J.: "Gazowe układy kogeneracyjne". WNT, Warszawa 2005.
[15] Konferencja Japońskie Technologie Środowiskowe "Technologie czystego węgla", Warszawa, 2 - 3 marca 2011.
[16] Knizia K. " Die thermodynamik des Dampkraftprozesses", Springer Verlag, Berlin, 2010.
[17] Golec T., Rakowski J., Świrski J. " Perspektywy postępu technicznego w wytwarzaniu energii elektrycznej przy wykorzystaniu węgla kamiennego, węgla brunatnego oraz gazu ziemnego z uwzględnieniem efektu środowiskowego", Instytut Energetyki, Warszawa 2003.
[18] Li X., Kininmont D., Le Pierres R., Dewson S. J. "Alloy 617 for the High Temperature Diffusion - Bonded Compact Heat Exchangers", Proceedings of ICAPP 2008, Anaheim, CA USA, June 8 - 12, 2008.
[19] Rataj Z.L., Walewski A.W., Wojnar W.B.: "Badania oraz wariantowa analiza techniczna rozwiązań koncepcyjnych kotłów pyłowych na parametry nadkrytyczne z paleniskiem niskoemisyjnym - wybór technologii odsiarczania i odazotowania spalin, oraz utylizacji odpadów paleniskowych". Politechnika Śląska, IMUE, Gliwice, kwiecień 1998.
[20] Kotlicki T., Pawlik M. "Innowacyjne technologie węglowe dla ograniczenia emisji CO2", Rynek Energii nr 3/2011.
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Wykorzystanie pary ultra nadkrytycznej w energetyce