ENERGETSKI SUSTAVI Poglavlje 5 Prof. dr. sc. Z. Prelec List: ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 KOGENERACIJSKI ENERGETSKI SUSTAVI Kogeneracija suproizvodnja električne i toplinske energije s ciljem da se smanje gubici topline koji se kod odvojene proizvodnje nepovratno gube u okolinu. Uvjet (ograničenje) trebaju biti osigurana trošila električne i toplinske energije. Tipovi kogeneracijskih sustava : • Kogeneracijski sustav s parnom turbinom - protutlačnom - kondenzacijskom s oduzimanjima • Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom - bez dodatna loženja - s dodatnim loženjem • Kogeneracijski sustav s motorom s unutrašnjim izgaranjem - bez dodatna loženja - sa dodatnim loženjem • Integrirani kogeneracijski sustav • Kogeneracijski sustav s gorivim ćelijama • Kogeneracijski sustav s magnetohidrodinamskim (MHD) generatorom.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Kogeneracija suproizvodnja električne i toplinske energije s ciljem da se smanje gubici topline koji se kod odvojene proizvodnje nepovratno gube u okolinu. Uvjet (ograničenje) trebaju biti osigurana trošila električne i toplinske energije. Tipovi kogeneracijskih sustava :
• Kogeneracijski sustav s parnom turbinom - protutlačnom - kondenzacijskom s oduzimanjima
• Kogeneracijski sustav s plinskom turbinom - bez dodatna loženja - s dodatnim loženjem
• Kogeneracijski sustav s motorom s unutrašnjim izgaranjem
- bez dodatna loženja - sa dodatnim loženjem
• Integrirani kogeneracijski sustav • Kogeneracijski sustav s gorivim ćelijama • Kogeneracijski sustav s magnetohidrodinamskim
� Direktna pretvorba toplinske energije plina u električnu djelovanjem magnetskoga polja na strujni tok ionizirana plina (plazme) pod visokim temperaturama (2500-3000 0C);
� Teoretski je proces sličan Joule/Brayton-ovom procesu u
plinskoj turbini. Stlačeni ionizirani plin (plazma) adijabatski ekspandira kroz MHD kanal (difuzor) gdje se usporava djelovanjem elektromagnetske sile (kod plinske turbine se unutar lopatica kinetička energija plina pretvara u mehaničku);
� Iskoristivost procesa proizvodnje el. energije je oko 50 %;
� Zbog visoke izlazne temperature plinova potrebna je
rekuperacija toplinske energije (kogeneracija ili kombinirani proces s parnim ciklusom), čime se dodatno povećava ukupna energetska iskoristivost;
Tehnički problemi MHD generatora
� Vrlo visoke radne temperature, te uslijed toga problem tehničko/komercijalne izvedivosti;
� MHD generator proizvodi istosmjernu struju pa je potreban pretvarač (invertor), što povećava složenost i troškove;
� Za postizanje visokih temperatura izgaranja potreban je kisik ili zrak obogaćen s kisikom; potreban je sustav za proizvodnju kisika;
� Potrebno je koristiti materijal za pospješivanje ionizacije plina (soli cezija ili natrija) što povećava pogonske troškove;
� Potrebno je magnetsko polje vrlo visoke gustoće koje ima velike gubitke s konvencionalnom izvedbom magneta. Rješenje je u razvoju super-provodljiva magneta pri visokim temperaturama, što je tehnički problem još u fazi razvoja;
� Zbog navedenih problema, ovaj energetski sustav je još u fazi razvoja i nije u komercijalnoj primjeni.
KOGENERACIJSKI SUSTAV S GORIVIM ĆELIJAMA Gorive ćelije transformacija kemijske energije goriva
(plina) uz oksidacijsko sredstvo u električnu i toplinsku
energiju elektrokemijskom reakcijom bez klasičnoga
izgaranja.
Energetski sustav s gorivim ćelijama se u principu sastoji od: • sustava za dobivanja vodika iz prirodnoga plina pomoću
vodene pare i topline, što se odvija prema jednadžbi CH4 + 2H2O + toplina → CO2 + 4H2
• sklopa odgovarajućeg broja gorivih ćelija • ureñaja za pretvaranje istosmjerne u izmjeničnu struju (inverter) • sustava za rekuperaciju toplinske energije (proizvodnju
Prednosti gorivih ćelija: � vrlo visoka iskoristivost energije goriva; 40% na
električnome dijelu, 25-45% na toplinskome dijelu, ukupno 65-85%;
� nema pokretnih (rotirajućih) dijelova; � zanemarivo onečišćenje okoliša; � zanemariva buka. Nedostaci gorivih ćelija: � visoka cijena po jedinici instalirane snage; � tehnička izvedivost za relativno male snage (do 500 kW); � tehničko-tehnološka neusavršenost (još u fazi razvoja).
TEHNO-EKONOMSKA ANALIZA I USPOREDBA KOGENERACIJSKIH SUSTAVA
Kogeneracijski sustavi proizvode istovremeno električnu i toplinsku energiju u različitim omjerima te ih se stoga ne može jednoznačno meñusobno usporediti . Kvaliteta električne i toplinske energije bitno se razlikuje, odnosno:
Eksergija el. en. ≠≠≠≠ Eksergijatopl. en. Tehnički pokazatelji, odnosno karakteristične veličine za analizu i usporedbu različitih kogeneracijskih sustava jesu:
kogeneracijskome sustavu u usporedbi sa sustavom za odvojenu proizvodnju toplinske i električne energije; ηGP – iskoristivost generatora pare. Napomena: uzima se u obzir ušteda goriva za proizvodnju električne
energije u kogeneracijskom sustavom u odnosu na odvojenu
proizvodnju električne energije (u termoelektrani).
5) Faktor pretvorbe toplinske energije goriva
TGPTE
GP
TG
TE
EE
Fε
=ψη
−η
=η
−
=111
Napomena: predstavlja udjel utroška energije goriva pa jedinici
proizvedene električne energije u kogeneracijskome sustavu.
gdje je: CE – jedinična cijena električne energije CT – jedinična cijena toplinske energije CG – jedinična cijena energije goriva Napomena: u razmatranje se uvode ekonomske veličine, odnosno tržišne
vrijednosti utrošene i proizvedene energije.
7) Udjel uštede goriva
Ekvivalentna ušteda goriva u kogeneracijskome sustavu u odnosu na odvojenu proizvodnju električne i toplinske energije može se izraziti kao:
G
odv,T
E
GP
TG E
EEE −
η+
η=∆
Udjel uštede goriva u odnosu na odvojenu proizvodnju je:
)(EE
E
EE
E
odv,TGP
T
odv,T
E
GP
T
G
odv,T
E
GP
T
GG
η+
ψηη
−=
η+
η
−=
η+
η
∆=ε
11
111
gdje je: ηT,odv – iskoristivost proizvodnje električne energije u odvojenom sustavu (u termoelektrani).