tehnologije za soproizvodnjo toplotne in · pdf file• piroliza je kemična razgradnja...
TRANSCRIPT
TEHNOLOGIJE ZA SOPROIZVODNJO TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE
IZ LESNE BIOMASE
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvoCenter za energetske in ekološke tehnologije
dr. Uroš Stritih, Gregor Zupan, prof. dr. Vincenc Butala
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
VSEBINA
- Plinski motor- Dieselski motor- Mikro turbina- Stirlingov motor- Organski rankinov proces (ORC)- Parna turbina in parni motor
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Plinski motor
• Standardni motorji ki poganjajo alternator, ki pretvarja mehansko delo v električno energijo
• Možnost uporabe goriva na osnovi biomase (tudi trdne): bioplin, plin iz čistilnih naprav, odlagališčni plin, plini, ki nastanejo pri uplinjanju trdne biomase
• Toplota produktov zgorevanja se uporablja za procesno toploto ali za ogrevanje
Odstranjevalec smole
Plinsko hlajenje
Plinski filter
Plinski motor(ji)
Prenosnik toplote
Dimnik
Biomasa
Pepel
Pepel
Toplota Zrak
Električna energija
Plinski rezervoar
Dovajanje goriva Uplinjevalnik
Plinsko hlajenje
Vir: VTT Processes, 2003
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Dieselski motor
• Uporaba dizelskega motorja je vezana na proizvodnjo piroliznih olj iz lesne biomase
• Piroliza je kemična razgradnja snovi s segrevanjem brez prisotnosti kisika
• Pirolizna olja so proizvedena iz biomase v enotah za pirolizo.
Sušilec
Biomasa
Olje
Piroliza
Pirolizno olje
Zrak Produkti zgorevanja
Dizelski motor
Piroliza in dizelski motor
Vir: OPET Finska, 2003
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Mikro turbina
• Plinska turbina izhodne moči med 25 in 250 kWe
• Možnost uporabe trdne biomase kot goriva (uplinjanje biomase)
• Toplotna energija plinov se v turbini pretvori v mehansko energijo, ki poganja alternator
• Preostanek energije (v obliki visokih tokov vročih plinov) se uporabi v prenosniku toplote za procesno toploto ali ogrevanje
Zgorevalna komora
Produkti zgorevanja
Prenosnik toplote Toplota
Rekuperator
Mikro turbina
G Električna energija
Zrak iz kompresorja
Vir: www.energytech.at, 2004
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Mikro turbina - primer Prerez mikro turbine (vir: www.biomasse-info.net)
• Imatra – Finska
• pričetek obratovanja: oktober 2003
• turbina: 30 kW (Capstone Turbine Corporation)
• letna proizvodnja el.: 240 MWh
• gorivo: odlagališčni plinMikro turbina na odlagališčni plin
(vir: www.storaenso.com)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Stirlingov motor Električna učinkovitost v odvisnosti od vrste plina v Stirlingu
27,6
36,2
23,220,8
27,3
05
10152025303540
Zrak Acetilen Amoniak Helij Vodik
Vrsta plina v Stirlingu
Elek
trič
na uči
nkov
itost
(%)
• Zaprt krožni proces – ekspanzija v vročem valju, kompresija v hladnem valju
• Zunanje zgorevanje – prenos toplote od zunaj skozi prenosnik toplote
• Možnost uporabe različnih plinov za prenos toplote v in iz krožnega procesa
• Možnost uporabe katerega koli vira toplote (tudi lesne biomase) – motor se prigradikurilni napravi
Dimnik
Daljinsko ogrevanje
Stirlingov motorT=80 °C
T=60 °C
T=1200 °C
T=600 °C
T=764 °CPredgrevanje
zraka
Sekundarni zrak
Primarni zrak
Vir: Henrik Carlsen, DTU, Danska, 2001
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Stirlingov motor - raziskave
• Avstrija (www.sunmachine.at)
• električna moč: 1,5-3 kW
• toplotna moč KN: 4,5-10,5 kW
• električna učinkovitost: 20-25%
• delovni plin: dušik
• gorivo: lesni peleti
Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir: www.sunmachine.at)
Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir: www.sunmachine.at)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Stirlingov motor - raziskave
• Graz – Avstrija (www.meinkraftwerk.at)
• električna moč: 1 kW
• toplotna moč KN: 15 kW
• delovni plin: zrak
• gorivo: lesni peleti
Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir:
www.meinkraftwerk.at)
Stirlingov motor (vir: www.meinkraftwerk.at)
Kogeneracijska enota s Stirlingovim motorjem (vir: www.meinkraftwerk.at)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Stirlingov motor - primer
• Oberlech - Avstrija
• poskusno obratovanje: 2003 in 2004
• električna moč: 31 kW
• moč dovedena z gorivom: 337 kW
• električna učinkovitost: 9,2%
• gorivo: lesni sekanci
35 kW Stirlingov motor (vir: www.stirling.dk/)
35 kW Stirlingov motor prigrajen kurilni napravi na lesne sekance (Vir: www.mawera.com/)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Organski Rankinov proces (ORC)• Proces je podoben konvencionalnemu Rankinovemu procesu – namesto vode organski delovni medij
• V uparjalniku uparjeni organski medij ekspandira v turbini in poganja alternator, ekspandirana para pa kondenzira v kondenzatorju
• Kondenzator se ohlaja s povratno ogrevalno vodo
• Proces primeren za katerokoli obliko biomase (trdna, tekoča in plinasta) kakor tudi za odpadno toploto
ORC-process
Biomass
Combustionair
Flue gas
Thermal oil cycle Generator(directly coupled)
Turbine
Evaporator
Condenser
Regenerator
Economiser
Silicon oilpump
Thermal oilboiler
Furnace
Combustionair pre-heater
DistrictHeating
Thermal oil ECO
G
Kotel s termalnim
oljem
Biomasa
Kurilna naprava
Dimni plini
Zgorevalni zrak
Grelnik (ekonomajzer)
Predgrelnik zgorevalnega zraka
Krog termalnega olja
Turbina
ORCproces
Uparjalnik Regenerator
Kondenzator
Črpalka silikonskega olja
Daljinsko ogrevanje
Vir: BIOS Bioenergy systems, Avstrija 2003
El. učinkovitost v odvisnosti od temp. uparjanja za različne medije
Propan
Amoniak
Izobutan
R113
Voda
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
50 100 150 200 250 300
Temperatura uparjanja (°C)
Elek
tričn
a uč
inko
vito
st (%
)
AmoniakIzobutanPropanR113Voda
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Organski Rankinov proces (ORC) - primer
• Admont - Avstrija
• pričetek obratovanja: 1999
• električna moč: 400 kW
• toplotna moč KN: 3200 kW
• električna učinkovitost: 18%
• gorivo: lesni ostanki iz industrije ORC kogeneracijska enota v Admontu (vir: BIOS Bioenergy systems, Avstrija,
TURBODEN Srl, Italija, 2003)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Organski Rankinov proces (ORC) - primer
• Lienz – Avstrija
• pričetek obratovanja: 2002
• električna moč: 1000 kW
• toplotna moč KN: 6000 kW
• električna učinkovitost: 18%
• gorivo: lesni ostanki iz industrije Turbina ORC procesa v Lienzu (vir: BIOS Bioenergy systems)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Organski Rankinov proces (ORC) - primer
• Dobbiaco - Italija
• pričetek obratovanja: 2003
• električna moč: 1500 kW
• vhodna toplotna moč: 8700 kW
• električna učinkovitost: 17,2%
• gorivo: lesna biomasa
ORC modul v Dobbiaco, Italija (vir: BIOS Bioenergy systems)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Parna turbina in parni motor• Najbolj uporabljeni tehnologiji v kogeneracijah
• Pri manjših sistemih je parni motor glede stroškovne učinkovitosti boljša rešitev kot parna turbina
HRANILNIK PRIPRAVA
IN PREDELOVANJE
KURILNA NAPRAVA
KONDENZATOR
Izpuh
Para
GENERATOR
Pepel
Elektrika
Biomasa
TURBINA
Toplota
• Procesa sta si podobna, s tem da je parna turbina zamenjana s parnim motorjem
• Toplota motorja in kondenzacijska toplota se uporabita za procesno toploto ali za ogrevanje
• Možna uporaba katerekoli oblike biomase (trdne, tekoče kot tudi plinaste)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Parni (vijačni) motor - primer
• Hartberg - Avstrija
• pričetek obratovanja: 2003
• električna moč: 700 kW
• vhodna toplotna moč: 5640 kW
• električna učinkovitost: 12,6%
• gorivo: lesna biomasa Parni motor na biomaso v Hartbergu, Avstrija: 1-visokotlačna stopnja, 2-nizkotlačna stopnja, 3-prestavni mehanizem, 4-generator (vir: Bios Bioenergy Systems)
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Značilne tehnološke karakteristike za manjše ko-generacijske tehnologije (vir: Climtech program VTT)
Dizelski/plinski motor
Mikroturbina
Stirlingov motor ORC Parni motor
Električna moč(kWe)
15-10.000 25-250 10-150 200-1500 20-1000
Električni izkoristek (%) 30-38 15-35 15-35 10-20 15-35
Toplotni izkoristek (%) 45-50 50-60 50-60 70-85 40-70
celotni izkoristek (%) 75-85 75-85 75-85 85-95 75-85
Proizvodnja toplote (°C) 85-100 85-100, para 60-80 80-100 para
Življenjska doba (h) 25.000-60.000 50.000-75.000 50.000-60.000 ? >50.000
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007
Zaključki
• Bolj smiselna soproizvodnja toplote in električne energije kot ločena proizvodnja.
• Za lesno biomaso velja da je:
- za hišno tehniko (do 100 kW) najbolj primerna tehnologija Stirlingov motor.
- za manjše kogeneracijske sisteme (do 1MW) je priporočljiv ORC proces in
- za večje sisteme (več MW) pa se uporablja parni proces.
• Priporočilo EU: več manjših in mikro sistemov namesto gradnje velikih sistemov – decentralizirana spoproizvodnja
Bioprom – Promocija bioenergijeLjubljana, 30. maj 2007