World primary energy consumption -Reference Case (Source: IGU) UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Transcription

1 World primary energy consumption -Reference Case (Source: IGU)

2 3000 GW novih zmogljivosti 1000 GW samo za nadomestitev odsluženih Obstoječe zmogljivosti Nove zmogljivosti Danes je 80 % vse rabe energije osnovane na fosilnih virih, kar predstavlja veliko tveganje že danes, še večje pa v prihodnosti pri vedno večjem pomanjkanju energije v svetovnem merilu

3 PRIMERJAVA PROIZVODNJE HSE IN OSTALE OBSTOJEČE PROIZVODNJE S PROJEKCIJAMI RABE EL. EN. V SLOVENIJI GWh Ostala obstoječa proizvodnja v Sloveniji Obstoječa proizvodnja HSE Nova proizvodnja HSE Projekcija rabe po 1,9% Projekcija rabe po 2,6% Projekcija rabe po 3,5% Razmere tudi v Sloveniji niso drugačne, saj bomo morali pri idealnem (največjem možnem) vlaganju v pretvorbo v naslednjih letih leta 2015 uvažati že 30 % električne energije

4 Urejeni diagram obremenitve P C KONICA SREDNJA OBREMENITEV OSNOVNA OBREMENITEV B A 0 t 8760 h Površina pod krivuljo je enaka energiji. Iz raziskave, ki smo jo opravili, sledi, da je zelo močna korelacija (povezava) med energijo in konico v normalnih razmerah.

5 Letna raba električne energije, proizvodnja na pragu ter ocena za naslednja leta Končna poraba-skupaj Proizvodnja na pragu-skupaj TEŠ (OD 2014, TEŠ5=1700 GWh) NEK 1100 MW (z 8200 obr. ur.) NEK 1600 MW (Z 8000 obr. ur.) NEK 2X1100 MW (z 8200 obr. ur.) Letna raba električne energije bi naj rasla 3% letno. Po velikem padcu v letih 2008 in 2009 je v prvih šestih mesecih bila rast 6%. Ocena je, da bomo presegli recesijo leta 2015.

6 Raba energije v vozliščih elektroenergetskega omrežja R Slovenije Iz ELESovih podatkov smo izluščili največjo rabo električne energije v elektroenergetskem sistemu R Slovenije (povprečne urne moči energije, porabljene v eni uri): 47. teden 1995 četrtek, ob 13. uri; 1551 MW 4. teden 1996 torek, ob 14. uri; 1599 MW 49. teden 1997 sreda, ob 14. uri; 1652 MW 50. teden 1998 sreda, ob 18. uri; 1734 MW 49. teden 1999 četrtek, ob 18. uri; 1686 MW 50. teden 2000 petek, ob 14. uri; 1705 MW 50. teden 2001 četrtek, ob 18. uri; 1838 MW 50. teden 2002 četrtek, ob 18. uri; 1901 MW 50. teden 2003 četrtek, ob 18. uri; 1923 MW 51. teden 2004 torek, ob 19. uri; 1991 MW 5. teden 2005 ponedeljek, ob 19. uri; 1992 MW 4. teden 2006 četrtek, ob 18. uri; 2074,75 MW. 51. teden 2007 sreda, ob 19. uri; 2060,35 MW 2. teden 2008 četrtek, ob 19. uri; 1960,94 MW 51. teden 2009 četrtek, ob 18. uri; 1894,6 MW. Za izračune pretokov moči so vhodni podatki moči raba in proizvodnja v določenem trenutku. Ocenili smo, da bo konica od leta 2015 rasla 2 % letno.

7 TERMOELEKTRARNE kemična energija toplota mehanska energija električna energija jedrska energija Paro, ki ima primerne parametre za pogon strojev, turbine ali za proces, proizvajamo v kotlu, kjer se prenaša toplota primarnih virov energije na vodo. Poznamo dva izvora energije, ki dajeta zadostno kolièino toplote - zgorevanje fosilnih goriv in jedrska reakcija. Lahko pa prištevamo k termoelektrarnam še tiste, pri katerih uporabljamo neposredno paro iz zemlje, pa tudi dieselske termoelektrarne.

8 Zgorevanje fosilnih goriv je hitra eksotermna kemična reakcija med kisikom iz zraka in elementi iz goriva. V osnovi sta dva elementa, ogljik in vodik, ki reagirata s kisikom: 1 kg C + 2,667 kg O 2 3,667 kg CO ,78 MJ 1 kg H kg O 2 9 kg H 2 O + 142,1 MJ Preglednica: Povprečna sestava čistega suhega zraka Plin Volumski % Utežni % dušik 78,09 75,51 kisik 20,95 23,61 žlahtni plini 0,95 1,28 ogljikov dvokis 0,03 0,05 Za popolno zgoretje 1 kg ogljika (vodika) potrebujemo tako 2,66 kg (8 kg) kisika, kar pri normalnem tlaku in temperaturi pomeni 11,5 kg (34,5 kg) zraka. Običajno merimo pline s prostornino - za popolno zgoretje 1 kg ogljika (vodika) potrebujemo 1,86 m 3 (5,6 m 3 ) kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3 ) zraka.

9 Pogoji za reakciji sta dovolj visoka začetna temperatura, primerno mešanje zmesi in dovolj časa, da pride do popolne reakcije. Vžigne temperature so od 400 do 600 C za večino klasičnih goriv. Vžigne temperature nekaterih goriv Gorivo Vžigna temperatura [ C] oglje 343 črni premog 407 antracit etan (C 2 H 6 ) etilen (C 2 H 4 ) vodik (H 2 ) metan (CH 4 ) ogljikov monoksid (CO)

10 Sestava in kurilne vrednosti naftnih derivatov Vrsta derivata % Utežna sestava Zgornja kurilna vrednost C H 2 O 2 +N 2 S pepel (kcal/kg) (MJ/kg) kurilno olje 86,5 12,7 0,2 0,7 sledi ,2 lahko olje ,5 1,5 0, ,96 mazut 85,75 10,5 0,9 3 0, ,5 petrolej 83,5 10,9 2,2 3, ,47 katran 89,5 6,7 3,5 0, ,77

11 Sestava in kurilne vrednosti plinastih goriv Plinasta goriva Sestava (utežni odstotki) Zgor. kuril. vred. vplinjeni premog CO H 2 CH 4 C n H m CO 2 N 2 O 2 (kcal/kg) (MJ/kg) 4,7 2,5 38,5 35,9 10,3 7,3 0, ,2 vplinjeni koks 71 6,4 0,3-14 8, ,9 generatorski plin 31 0,9 0,2-8 59, ,12 zemeljski plin ,5-8 0,5-7, , ,2 plavžni plin 30 0,2 1, ,69

12 Sestava in kurilne vrednosti trdnih goriv Trdna goriva Zgornja kurilna vrednost Pepel Vlaga Plinaste komponent e antracit ,9 koks ,3 èrni premog rjavi premog lignit (kcal/kg) (MJ/kg) [%] [%] [%] šota , les ,5-22,6 0, lesni odpadki, lubje , slad. trs kot gorivo ,2-20,3 1,

13 Sestava in kalorična vrednost črnih premogov Dežela Tipična analiza [%] Zgor. kalor. vred. vlaga plin. kompon. ogljik pepel (kcal/kg) (MJ/kg) Avstralija 0,5-2, ,5 Južna Afrika 2-5, ,5-28,5 Kanada 1, , ,3 Kitajska 2,5-5, Poljska ,7-31,4 Velika Britanija 0,7-7, ,5 Združene države Amerike 1,5-3, ,2

14

15 Proizvodnja električne energije v termoelektrarnah sloni na večkratnem preoblikovanju energije. kemična ali jedrska energija kotel gorilnik reaktor toplotna energija turbina mehanska energija generator električna energija porabniki pare

16 Parne turbine V konvencionalni termoelektrarni dobi delovna snov (voda) toploto iz kemičnih reakcij med gorivom in zrakom. Voda odda toploto po opravljenem delu pri neki nižji temperaturi. V pv diagramu predstavlja opravljeno delo površina znotraj zaključene krivulje. Izkoristki posameznih vrst strojev (parni, bencinski, dieselski, reakcijski) so različni, nobeden pa zdaleč ne dosega 100 %. Idealni stroj, ki ima največji možni izkoristek, je leta 1824 patentiral francoski inženir Sadi Carnot. Od ostalih strojev se razlikuje po tem, da je omejen z dvema izotermama in dvema adiabatama. Vsa toplota je dovedena pri določeni (stalni) visoki temperaturi in odvedena pri določeni (stalni) nizki temperaturi. Za vse povratne procese je določena entropija z izrazom: dq ds = T

17 Carnotov krožni cikel je sestavljen iz naslednjih delnih procesov: Izotermna ekspanzija 1 2 Q dov = Q 12 = T (S 2 - S 1 ) Adiabatna ekspanzija 2 3 Q 23 = 0 Izotermna kompresija 3 4 Q odv = Q 34 = T 0 (S 2 - S 1 ) Adiabatna kompresija 4 1 Q 41 = 0 p T 1 2 T 1 A 2 T Qdov-Qodv T0 4 3 T0 4 3 V S S Carnotov krožni cikel v pv diagramu Carnotov krožni cikel v TS diagramu

18 Termični izkoristek je pri Carnotovem stroju odvisen le od razlike temperature. η c A Q odv 0 = ηth = = 1 = 1 ( T [K] ) Q12 Qdov T T Tudi realne turbine imajo tem boljši izkoristek čim višja je temperatura. Dandanes so tipični tlaki in temperature 41,5 kpa in 545 C v termoelektrarni s ponovnim pregrevanjem pare (TE Šoštanj V 345 MW. Izkoristek je 37 %, brez čistilne naprave).

19 An ideal cycle (called the rankin cycle) which approximates the actual steam cycle is shown in the figure. Starting with liquid water at low pressure and temperature (point a), the water is compressed adiabatically to point b at boiler pressure. It is then heated at constant pressure to its boiling point (line b c), converted to steam (line c d), superheated (line d e), expanded adiabatically (line e f), and cooled and condensed (along f a) to its initial condition. The efficiency of such a cycle may be computed in the way by finding the quantities of heat taken in and rejected along the lines b e and f a. Assuming a boiler temperature of 215 C (corresponding to a pressure of 2000 kpa), a superheat of 17 C above this temperature (250 C), and a condenser temperature of 40 C, the efficiency of rankine cycle is about 32 %.

20 para kotel turbina G kondenzator Toplotna shema elektrarne manjše moči brez pregrevanja kotel G generator turbina kondenzator Toplotna shema običajne termoelektrarne na trda goriva s ponovnim pregrevanjem

21 reaktor turbina turbina G generator pregrevalnik predgrevalnik kondenzator Toplotna shema tlačnovodnega ali vrelnega reaktorja

22 Plinske turbine V zadnjih desetletjih je veliko elektrogospodarskih podjetij postavilo plinske turbine velikosti do 120 MW. Osnovni namen je bil kritje konice ali vroča rezerva za zanesljivo napajanje, ponekod, kjer je gorivo poceni, pa tudi za osnovno oskrbovanje z električno energijo. Veliko industrijskih podjetij uporablja plinske turbine za sočasno proizvodnjo električne energije in toplote. Največja prednost plinske turbine pred parno so majhni začetni stroški, hitra gradnja, majhni zagonski časi in sposobnost za uporabo velikega spektra goriv od težkega olja do zemeljskega plina. Slabosti sta slab izkoristek (18-25 %) brez dodatnih ukrepov ter omejena velikost.

23 V odprtem procesu doteka zrak (kompresor) iz okolja, zgori z gorivom v zgorevalni komori ter gre skozi turbino spet v okolico. zgorevalna komora gorivo G M kompresor turbina zrak Shema preproste plinske turbine svečka zračni pretok okoli zgorevalne komore vroči plini za turbino zrak iz kompresorja gorivo zgorevalno področje mešalno področje Prerez zgorevalne komore

24 tlak povečanje prostornine ob zgorevanju goriva p 2 adiabatna kompresija v kompresorju adiabatna ekspanzija v turbini p 1 prostornina razmerje r = p 2 /p 1 pv diagram za idealno plinsko turbino in kompresor

25 Plinska turbina ne more pričeti delovati samostojno; imeti mora dovolj veliko hitrost za delovanje kompresorja. Pogosto uporabljamo generatorski vzbujevalnik kot zagonski motor. Izkoristek močno pada z zmanjševanjem obremenitve. Od leta 1960 se pogosto uporabljajo letalski reakcijski motorji kot plinske turbine tako, da je reakcijski pogonski del zamenjan s turbino z visokim izkoristkom. Razvoj te vrste turbine uporablja raziskave letalske industrije tako, da se en ali več reakcijskih motorjev prazni skozi plinsko turbino. Takšne enote so poceni, kompaktne in imajo izredno hitre zagonske sposobnosti (do polne moči v 2 minutah). Po demontaži iz aviona (zaradi varnostnih predpisov) in ob malenkostni predelavi (zaradi večjega tlaka ob tleh) lahko deluje še 20 do 25 tisoč ur. Zgorevalno komoro klasične plinske turbine lahko nadomestimo z batnim plinskim motorjem, ki proizvede vroč plin za pogon turbine. Največja prednost je boljši skupni izkoristek (30-35 %) vendar so višji tudi cena in stroški vzdrževanja. Nekaj takih elektrarn z močjo med 1 in 10 MW uspešno deluje.

26 Dieselski agregati Generatorje, gnane z dieselskimi agregati, uporabljamo v glavnem v treh primerih: Za osnovno oskrbovanje z električno energijo na področjih, kjer ni električnega omrežja, ali kot neodvisni izvor za zagotavljanje varnostnega napajanja, kjer obstaja javno omrežje. Za pokrivanje konične obremenitve, ko želimo zmanjšati stroške oskrbe iz javnega omrežja. Za rezervno napajanje (vroča rezerva). Največje moči dieselskih elektrarn za primarno napajanje so med 150 in 200 MW. Velikosti posameznih enot so od 1 kw do 30 MW. Najpogostejše velikosti za vse tri kategorije uporabe so med 250 kw in 3,5 MW pri srednjih in visokih vrtljajih. Osnovni princip delovanja je vbrizgavanje goriva v polnitev zgoščenega zraka ter spontani vžig zaradi temperature, ki je posledica komprimiranja zmesi. V procesu se pretvarja toplotna (kemična) energija goriva (tekočega) v mehansko energijo. Poznamo štiri in dvotaktni način. Pri dvotaktnem motorju imamo delovni takt pri vsakem obratu gredi, pri štiritaktnem pa pri vsakem drugem obratu. Izkoristek dvotaktnega ni podvojen zaradi nepopolnega zgorevanja (mešanje zgorele in nezgorele zmesi s svežim zrakom).

27 stisk zraka, gorenje in ekspanzija plinov f a b a zaprta izpušna odprtina odprta dovodna odprtina 1: sesalni gib 2: kompresijski gib 1: polnilni in gorilni gib b, c d, e f e vstop čistilnega zraka izpuh zaprta dovodna odprtina 3: delovni gib 4: izpušni gib 2: praznilni in začetni gib

28 tlak b c tlak c d f d e a prostornina e b f a prostornina f-a Dotok svežega polnjenja Gib 1 a-b Kompresija Gib 2 b-c Zgorevanje c-d Ekspanzija Gib 3 d-e Odpiranje ventila e-f Izpuh Gib 4 a-b b-c c-d d-e e-f f-a Praznjenje in začetek Kompresija Zgorevanje Ekspanzija Izpuh in odpiranje ventila Izpuh in čiščenje Gib 1 Gib 3

29 Sočasna proizvodnja toplote in električne energije Pretvorba toplote v električno energijo ima slab izkoristek bolj zaradi naravnih zakonov kakor zaradi tehnoloških znanj. Termični izkoristek najmodernejših termoelektrarn ne presega 40 % in 60 % energije goriva se pojavlja kot neuporabna toplota. Nasprotno je pretvorba energije v toploto relativno dobra. Večina industrijskih kotlov za proizvodnjo procesne toplote ima izkoristek tudi precej nad 80 %. Na splošno potrebujemo oboje, električno energijo in toploto; združitev obojega v eni napravi je atraktivna. Prednost takšne sočasne proizvodnje je večji izkoristek primarnega goriva. Težava je povezava oskrbe porabnikov s toploto in električno energijo. V praksi cena določa sočasno ali ločeno proizvodnjo. Medtem ko je možno proizvedeno električno energijo transformirati na tisti napetostni nivo, kjer jo potrebujejo, temperature, pri kateri je toplota predana porabnikom, ni mogoče povišati brez povečanja količine dobavljene energije. Razen temperature je pomembno še razmerje med toploto in električno energijo.

30 turbina kotel G generator kondenzator procesna para Sočasna proizvodnja pare in električne energije Uporabniki sočasne pretvorbe so industrijski procesi in daljinsko ogrevanje. Običajno je procesna toplota zaželena pri konstantni temperaturi in to kot para, ki ima visoko latentno toploto. Za daljinsko ogrevanje je vroča voda boljši medij za transport toplote do porabnikov. Najpomembnejša je pri uporabi sočasne proizvodnje električne energije in toplote povezava bremen. Bremena bolj ali manj neodvisno poljubno nihajo, elektrarna pa mora biti sposobna pokriti najvišjo in najmanjšo porabo. Oblika zahtevane energije vpliva na razmerje in na izbiro pogonskega stroja za generator.

31 Parne turbine Pri parnih turbinah je največji del energije primarnega goriva, ki ni preoblikovan v električno energijo, zavržen kot nizko temperaturna toplota s hladilno vodo. Gre za ogromne količine vode pri temperaturah C. Edini možni uporabniki so ribogojnice ali talno gretje. Hladilno vodo vodijo nazaj v naravni izvor (reke), kjer je bila odvzeta, ali kjer to ni možno, jo hladijo z zrakom v hladilnem stolpu. Če želimo dobiti uporabno toploto, jo je treba odvzeti pri višji temperaturi, kot je temperatura kondenzatorja (včasih pred ekspanzijo, včasih po delni ekspanziji v turbini (slika 2.12)). Če po uporabi vroč kondenzat iz procesa vrnemo v kotel, je možno doseči več kot 80 % termični izkoristek. Tipična velikost naprave je 2 MW, spodnja meja 500 kw in zgornja 15 MW. Tipični parametri pare so 28 barov in 400 C pri malih in 63 barov in 480 C pri največjih. jih.

32 Dieselski motorji Dieselski motorji so relativno ekonomični pogonski stroji vendar zavržejo okoli 55 % energije goriva v obliki toplote: 25 % za hlajenje in približno 30 % za segrevanje atmosfere z izpušnimi plini, ki imajo temperaturo 400 C in več. Če gredo izpušni plini skozi kotel, lahko del te neizrabljene energije uporabimo za pridobivanje pare za procese oziroma ogrevanje. Kadar lahko uporabimo to paro in toploto iz hladilnika motorskega bloka, je izkoristek več kot 70-odstotni. Da bi preprečili korozijo v kotlu zaradi kislin v izpušnih plinih, temperatura le-teh ne sme pasti pod rosišče. V odvisnosti od goriva je to okoli 175 C. Najvišja temperatura je odvisna od minimalne razlike med izpušnimi plini in paro. Običajni tlak je 8 barov. Izpušni plini dieselskega motorja vsebujejo obilo kisika - dvakrat več zraka gre skozi motor, kot ga je teoretično potrebno za zgorevanje. V izpušnih plinih je zato možno kuriti dodatno gorivo. Običajno so vložena sredstva za dieselski motor in kotel na izpušne pline manjši kot za konvencionalni kotel in parno turbino - potrebuje pa več vzdrževanja in ima manjšo zmogljivost. Velikosti takšnih naprav so med 1 in 5 MW v eni ali več stopnjah in oddajajo električno energijo v javno omrežje.

33 Plinsko-parni kombinirani proces Plinska turbina je relativno slab energetski pretvornik, saj ima izkoristke od 18 do 30 %, odvisno pač od velikosti in enostavnosti. Največ energije goriva se pojavi v izpušnih plinih, katerih temperatura je lahko 500 C ali več. Zato pa je možno te pline porabiti v izmenjevalcu toplote za paro pri visokih temperaturah. Razmerje zmesi zraka in goriva je običajno 70 : 1, kar pomeni, da je dovolj tudi kisika za dodatno zgorevanje. Znani so Siemensovi kombinirani postroji, ki jih gradijo po fazah. dimnik zrak gorivo G generator plinska turbina s kompresorjem vroč plin kotel para parna turbina generator G kondenzator

34 Sočasna proizvodnja toplote in električne energije Običajno je postroj za manjše moči (do 30 MW) zgrajen iz nekaj plinskih turbin ali motorjev na dvojno gorivo, parne turbine, odvzema pare pri različnih parametrih ter izrabe odpadne toplote za ogrevanje. Takšne postroje, ki dosegajo izkoristke primarnega goriva tudi močno čez 80 %, najdemo za tovarniškimi ograjami. Če morajo obratovati samostojno, brez povezave z javnim električnim in/ali toplotnim omrežjem, morajo imeti nekaj motorjev ali turbino za vročo rezervo. proizvodnja pare tekoče e ogrevanje uvod zraka toplotna energija neposredno ogrevanje posredno ogrevanje G generator kompresor turbina gorivo

35 63,75 % 36,25 % moč plinske turbine neuporabljena toplota 35,60 % 10,00 % 54,40 % neuporabljena toplota moč plinske turbine moč parne turbine a) plinska turbina b) kombinirani plinsko-parni proces 41,20 % 5,00 % 35,60 % 18,20 % neuporabljena toplota moč plinske turbine moč parne turbine procesna toplota c) sočasna proizvodnja toplote in električne energije

36

37