Kuro elementas ar vidaus degimo variklis nedidelje kogenetorinje

Kuro elementas ar vidaus degimo variklis nedidelėje kogenetorinėje? Vilniaus Gedimino technikos universitetas Šildymo ir vėdinimo katedra Giedrė Streckienė, doktorantė prof. Vytautas Martinaitis, vadovas

Tyrimo tikslas w Tikslas – palyginti dvi kogeneracines technologijas nedidelės galios kogenetorinėje w Viena iš jų vidaus degimo variklis – jau plačiai naudojama technologija w Kita – kuro elementas – dar tik pradedanti įsitvirtinti technologija komerciniame pasaulyje 2

Kogeneracija w Kogeneracija – bendra elektros ir šilumos gamyba w Nacionalinėje energetikos strategijoje numatyta pasiekti, kad elektros energija, pagaminta kogeneracijos būdu, iki 2020 m. sudarytų ne mažiau kaip 35 % visos pagamintos energijos w Pagrindiniai kogenetorinių tipai: n n n Garo turbina; Dujų turbina; Vidaus degimo variklis; Kombinuoto ciklo įrenginys; Kuro elementas; kt. 3

Vidaus degimo variklis (VDV) w Vienas iš populiariausių nedidelės ir vidutinės galios kogeneracijos būdų w Vidaus degimo variklis - tai variklis kuriame dujos ar skystas kuras, sudegintas degimo kameroje, dujų plėtimasis veikia stūmoklį, o šis suka elektros generatorių w Kuras – dujos, biodujos, dyzelinis kuras w Tipinis elektros generavimo efektyvumas tokiose sistemose yra 35 – 40%. Apie 90% variklyje išskiriamos šilumos naudingai panaudojama pastatų šildymui ir karšto vandens ruošimui w Tinka naudoti, kai elektros/šilumos poreikis yra cikliškas ir nepastovus. Egzistuoja žemų/vidutinių temperatūrų vandens poreikis 4

Kuro elementas (KE) w w w 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) 5

Kietojo oksido kuro elementas (SOFC) w w w SOFC darbo metu elektrodo srityje redukuojamos darbinės dujos – gaunami deguonies jonai, kurie migruoja per elektrolitą. Deguonies jonai reaguoja su H 2 ar CO ir susidaro H 2 O ar CO 2 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 (H 2, metanas, gamtinės dujos, propanas) ir suderinamumas su aplinka; Didelis efektyvumas (~85 %) Palyginti ilgaamžiai 6

Ekserginis naudingumo koeficientas w Ekserginis (termodinaminis) naudingumo koeficientas: elektrinis naudingumo koeficientas šilumos srauto ekserginis naudingumo koeficientas sistemos pagamintas elektros darbas šilumos srauto eksergija kuro srauto eksergija apsupties temperatūra sistemos (kūno) temperatūra atiduodamas šilumos srautas 7

Privalumai ir trūkumai Technologija Privalumai Trūkumai Vidaus degimo varikliai (VDV) Aukštas elektros generavimo efektyvumas plačiame apkrovimo intervale; Santykinai mažesnės investicijos, tenkančios 1 k. We; 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. 8

Objekto charakteristikos w Šildomas plotas: 20 299 m 2 w Pagrindiniai pastatai: septyni stacionariniai skyriai ir poliklinika w Norminiai šilumos poreikiai: n n n Patalpų šildymas: 3 420 MWh Patalpų vėdinimas: 1 116 MWh Karšto vandens ruošimas: 1 464 MWh w Iš viso: 6 000 MWh w Šilumos tiekimo sistemos galia: 3 300 k. W w Šalčio gamybos sistemos galia: 525 k. W Ligoninės pastatų kompleksas 9

Šilumos ir elektros poreikių kitimas Karšto vandens poreikis Elektros poreikis Šilumos poreikis per metus patalpų šildymui 10

Ką pasirinkti? Kuro elementas ar vidaus degimo variklis? 11

Investicijos Pagrindiniai sistemos įrenginiai: kogeneratorius (200 k. We), katilas (2500 k. W), šilumos siubliai (660 k. W) ir akumuliacinis bakas (30 m 3) w Sistema su KE w Investicijos: ~4, 4 mln. Lt w Sistema su VDV w Investicijos: ~2, 9 mln. Lt 12

Šilumos poreikių užtikrinimas w Sistema su vidaus degimo varikliu n n n w VDV – 28, 3% Katilas – 41, 7 % Šilumos siurblys – 30, 0% Sistema su kuro elementu n n n KE – 22, 2% Katilas – 43, 9% Šilumos siurblys – 33, 9% 13

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 14

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. 15

Sistemų su KE ir VDV palyginimas Metiniai rodikliai KE (200 k. We) VDV (200 k. We) Sistemos gamtinių dujų suvartojimas, tūkst. m 3 648, 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 16

Ekonominiai rezultatai Paprastas atsipirkimo laikas (PAL) • Kogeneratoriaus ilgaamžiškumas 10 metų • Variantuose su elektros pardavimu – elektra superkama po 13, 5 ct/k. Wh (be PVM) • CO 2 teršalai ekonominiuose skaičiavimuose nevertinami 17

Ekonominiai rezultatai Grynoji dabartinė vertė (GDV) w Diskonto norma – 7 % w Skaičiuojamasis laikotarpis – 15 metų 18

CO 2 ir NOx teršalų emisijos Pateikiamos tik kogeneratorių teršalų emisijos (200 k. We) Naudojamas kuras – gamtinės dujos CO 2 teršalai NOx teršalai 19

Diskonto normos įtaka grynajai dabartinei vertei Žymėjimai: KE(1) – sistema su kuro elementu, kai elektra naudojama tik savo tikslams KE(2) – sistema su kuro elementu, kai galima parduoti elektrą tinklams VDV(1) ir VDV (2) – atitinkamai sistemos su vidaus degimo varikliu, kai elektra naudojama savo reikmėms ir perteklių galima parduoti tinklams 20

Investicijų į kuro elementą įtaka Esamos investicijos į KE yra apie 3500 $/k. W 21

Išvados w 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 w Kuro elementai ekologiškai ir termodinamiškai patrauklesnė technologija dėl didesnio potencialo išnaudoti kure esančią energiją w Sistema su KE būtų ekonomiškai naudinga, jei santykinės investicijos į KE sumažėtų bent iki 2400 $/k. W 22

AČIŪ UŽ DĖMESĮ