Nove Tehnologije u Energetici

UNIVERZITET U TUZLI MAŠINSKI FAKULTET

S EM INAR SK I RAD Tema:

Nove tehnologije u energetici

Predmet:

Mehatronika u energetici

Ime i prezime:

Samel Salibašić Semina Užičanin

SADRŽAJ 1. UVOD 2. POSTROJE POSTROJENJA NJA SA SA SAGORIJ SAGORIJEV EVANJE ANJEM M U FLUIDIZIRANOM FLUIDIZIRANOM SLOJU SLOJU 3. KOMBINOV KOMBINOVANI ANI CIKLUSI CIKLUSI SA SA GASIFIKACI GASIFIKACIJOM JOM 4. IGCC-TEHNOL IGCC-TEHNOLOGIJA OGIJA (integrate (integratedd gasificati gasification on combined combined cycle) cycle) 5. KOMBINOV KOMBINOVANI ANI CIKLUSI CIKLUSI SA PRIRODNIM PRIRODNIM GASOM GASOM KAO GORIVOM GORIVOM 6. GO GORI RIVE VE ĆELIJ ELIJE E 7. ZAKLJUČAK  8. KORIŠT KORIŠTENA ENA LITERA LITERATUR TURA A

1. UVOD Potrošnja primarne energije u svijetu u toku 1998. godine je u prosjeku iznosila 26,373 miliona tona ekvivalenta nafte ( toe ) dnevno. Veći dio ove energije, 53,6% od ukupno utrošene energije, se potroši u industrijalizovanim ( razvijenim zemljama ) čiji  je udio u ukupnom broju stanovnika 15,9 %. Zemlje u razvoju, čiji je udio u broju stanovnika 77.1 % koriste 32,4 % ukupno utrošene energije. Iz ovoga jasno slijedi da  je godišnja potrošnja energije po stanovniku u industrijalizovanim zemljama oko 8  puta veća od odgovarajuće potrošnje u zemljama u razvoju. Zemlje u razvoju utroše (računajući sa prosječnom strukturom goriva i cijenama) više od 5% ukupnog dohotka na primarnu energiju. Ako se ovome dodaju i troškovi transformacije, prenosa i distribucije energije ovi troškovi, vjerovatno, dostižu i oko 10% ukupnog prihoda. Podaci za Bosnu i Hercegovinu ( odnose se na 1997. godinu ) su, u svakom pogledu, nepovoljniji od pokazatelja za zemlje u razvoju. Godišnja potrošnja primarne energije

2

 po stanovniku u Bosni i Hercegovini je iznosila 0,4518 toe, a u zemljama u razvoju 0,6847 toe. Efikasnost korišenja energije u razvijenim zemljama se velikim dijelom ostvaruje  primjenom novijih tehnologija. Iako je vrijeme potrebno za razvoj novih energetskih tehnologija relativno dugo, a sredstva potrebna za istraživanje značajna, razvijeno je nekoliko novijih tehnologija u oblasti transformacije energije. U ovom pregledu će se razmotriti samo neke od tih tehnologija, čija primjena postaje, ili će to uskoro biti, sve veća.

2. POSTROJENJA SA SAGORIJEVANJEM U FLUIDIZIRANOM SLOJU Tehnologiju sagorijevanja u fluidiziranom sloju pod pritiskom i primjenu u termoenergetskim postrojenjima razvio je, u posljednjih dvadesetak godina ABB. Tehnologija se zasniva na sagorijevanju uglja u fluidiziranom sloju pod pritiskom i  primjeni i gasne i parne turbine. Šematski prikaz jednog postrojenja zasnovanog na ovoj tehnologiji je prikazan na sl.1. U samom kotlu biomasa i otpad izgaraju i pretvaraju se u vrući granulirani sloj na  pijesku. Pijesak, kao medij u kome drvna masa izgara, ubacuje se u kotao, a zrak koji se upuhava pod tlakom drži ga raspršenog u prostoru za izgaranje tako da se gorivo i  pijesak miješaju. Kako je omjer goriva u pijesku vrlo mali (1 do 2% ukupne mase u  pokretu) izgaranje se vrši s vrlo visokim stupnjem sagorijevanja (više od 99%). Ubrizgavanje zraka u taj sloj stvara turbulencije zraka koje pogoduju procesu izgaranja biomase. Tako stvorene turbulencije omogućuju potpuni kontakt zraka (kisika) s gorivom pospješujući njegovo potpuno izgaranje. Na ovaj način se kontrolira razvijanje topline i omogućava da temperature procesa budu ispod 972º C reducirajući emisiju dušičnog monoksida. Kotlovi u kojima se koristi fluidizirani sloj mogu koristiti goriva sa visokom koncentracijom pepela, niskokalorična goriva kao što su ostaci poljoprivredne proizvodnje te otpadci od sječe šuma. Ova tehnologija u odnosu na izgaranje na rešetci pruža znatno veću fleksibilnost u pogledu zahtjeva na kvalitetu i vlažnost goriva. Korištenjem ove tehnologije, za goriva s visokim udjelom vlage i neujednačene kvalitete moguće je postizanje efikasnosti kotla i do 90% uz znatno smanjenje štetnih emisija. Osnovni nedostatak je visoka cijena, pa se ovi sustavi koriste obično za postrojenja veća od 5 MW.

3

Sl. 1 Postrojenje u kojem se upotrebljava fluidizirani sloj kao tehnika izgaranja

Osnovne karakteristike postrojenja sa sagorijevanjem u fluidiziranom sloju pod  pritiskom su: • Veći stepen djelovanja u poređenju sa klasičnim postojenjima sa sagorijevanjem sprašenog uglja (uštede u potrošnji goriva se procjenjuju na 10-15 % sa mogućnošću da se povećaju na 20-25% u narednim godinama ) • Značajna redukcija oksida sumpora i azota u produktima sagorijevanja, tako da nisu  potrebni uređaji za prečišćavanje gasova. • Mogućnost korištenja različitih vrsta čvrstih goriva (sve vrste ugljeva i biomase). • Kompaktna postrojenja. Površina potrebna za postrojenje sa 6 blokova (6 gasnih i dvije parne turbine), ukupne snage 600 MWe, uključujući i bunkere za gorivo, dovod goriva i odvod pepela, iznosi približno 4150 m 2 (56x74 m), a visina iznosi 55 m.

Tabela 1: Osnovni parametri goriva u postrojenjima u radu

4

Jedinične cijene postrojenja sa fluidiziranim slojem variraju i iznose 1900-3700 $/kW, ali se prognozira da bi u drugoj generaciji cijena mogla iznositi 1000 $/kW, a cijena električne energije proizvedene u postrojenjima veće snage bi mogla biti do 20 % niža od cijene u konvencionalnim termoelektranama sa sistemima za prečišćavanje gasova. Pored ABB i druge organizacije u Japanu, SAD, Njemačkoj i nekim drugim zemljama su započele rad na razvoju postrojenja sa fluidiziranim slojem pod pritiskom.

3. KOMBINOVANI CIKLUSI SA GASIFIKACIJOM U cilju povećanja stepena djelovanja energetskih postrojenja na ugalj, kao i smanjenja zagađenja okoline, počeo je razvoj postrojenja sa gasifikacijom uglja. U ovim  postrojenjima ugalj se, nakon mljevenja, vodi u gasifikator, gdje se vrši gasifikacija uglja pod pritiskom u struji vazduha i kisika i njihove mješavine sa vodenom parom. Produkat gasifikacije je niskokalorični gas, čiji su osnovni sastojci ugljenmonoksid i vodonik. Ovaj gas se, nakon hlađenja, prečišćavanja i izdvajanja sumpora, koristi u komori za sagorijevanje gasne turbine. Produkti sagorijevanja se nakon ekspanzije u turbini, koriste u generatoru pare za proizvodnju pare, koja se koristi u parnoturbinskom dijelu postrojenja.

Sl.2 šematski prikaz termoenergetskog postrojenja sa gasifikacijom uglja Jedno od prvih demonstracionih postrojenja sa gasifikacijom uglja je izgrađeno u  Nizozemskoj i pušteno u rad 1994. godine. Snaga postrojenja je 284 MWe , od kojih se 31 MWe koristi za vlastite potrebe. Gasifikacija se vrši sa 95% kisikom (dobijenim iz uređaja za separaciju zraka) i vodenom parom , a odvija se pri pritisku od 28 bara i na temperaturi od 1500 0C . Dobijeni gas se hladi na temperaturu od 250 0C pri čemu se generiše dio pare visokog i srednjeg pritiska. Nakon toga, gasu se, prije odvođenja u komoru za sagorijevanje, dodaje azot i voda da bi se reduciralo formiranje NO x. Ukupni stepen djelovanja postrojenja je 43 %.

5

Posljednjih godina je izgrađeno još nekoliko postrojenja sa gasifikacijom uglja, mješavine uglja i petrol koksa, a i sa gasifikacijom tečnih goriva koja sadrže veći  procenat sumpora. I pored demonstracionih i postrojenja u radu, postoji potreba za daljim razvojem ove tehnologije. Jasne su prednosti ove tehnologije • Fleksibilnost u primjeni različitih goriva • Budući potencijal u povećanju efikasnosti • Mogućnost povezivanja sa drugim procesima i dobijanja drugih proizvoda, ali su investicioni troškovi još uvijek dosta visoki. Očekuje se da će investiciona ulaganja za drugu generaciju postrojenja sa gasifikacijom iznositi maksimalno 1400 $/kW, a da će stepeni djelovanja dostići vrijednosti 0.48, odnosno 0.50. Još jedna od mogućnosti povećanja stepena djelovanja postrojenja sa gasifikacijom uglja je upotreba turbina sa mješavinom produkata sagorijevanja i vodene pare. U ovim postrojenjima nema parne turbine, ali se dodavanjem vodene pare produktima sagorijevanja, prije odvođenja u turbinu, povećava protok gasova kroz turbinu, a time i snaga turbine. Para koja se dodaje produktima sagorijevanja se generiše u toku  procesa gasifikacije i hlađenja produkata gasifikacije.

4. IGCC-tehnologija (integrated gasification combined cycle) Danas već u velikoj mjeri, tehnički ostvariv postupak za proizvodnju struje korištenjem uglja siromašnog sa CO2, je IGCC-tehnologija. Njene prednosti su: mali tehnički rizik kod odvajanja CO2, velika fleksibilnost goriva kao i mala emisija štetnih materija. IGCC se razlikuje od tradicionalnih elektrana po dva procesa: ugalj ne sagorijeva direktno, već se prvo pretvara u sintezni gas, što filtriranje štetnih materija čini jednostavnijim. Osim toga, iz sinteznog gasa može da se izdvaja i akumulira udio ugljen dioksida.

6

Sl. 3 Kako eliminisati CO2

Detalji IGCC-postupka su: Stvaranje gasa kao goriva je u osnovi već dugo poznat i dokazani postupak. Konkretno i pojednostavljeno: ugljena prašina se sa tečnim gasom, kao što je azot, u gorioniku uparava i sa kiseonikom pretvara u sintezni gas, koji sadrži ugljenmonoksid i vodonik. Ukoliko se dozvoli reakcija ugljen-monoksida sa vodenom parom, nastaje vodonik sa ugljen-dioksidom, koji se izoluje, zgušnjava i ispumpava hemijskim postupkom. Gas, koji je bogat vodonikom, ali bez CO2, može da se koristi za sagorijevanje u gasnoj turbini. Vreli otpadni gas iz gasne turbine se koristi da bi se takozvanom kotlu na dimni gas stvorila para. Gasna turbina i parna turbina zajedno pokreću generator, što povećava stepen korisnog dejstva elektrane. Ključ IGCC-tehnologije sa odvajanjem ugljendioksida je efikasnost stvaranja energije. Stvaranje gasa i izdvajanje CO2 umanjuju stepen korisnog dejstva i u  poređenju sa drugima su skupi. Ali, jasno je da emitovanje CO2 u budućnosti neće biti  jeftino. Šematski prikaz rada jedne IGCC elektrane je prikazan na sljedećoj slici:

7

Sl. 4 Šematski prikaz rada jedne IGCC elektrane

Sl 5. Pojednostavljeni prikaz jedne IGCC elektrane

8

5. KOMBINOVANI CIKLUSI SA PRIRODNIM GASOM KAO GORIVOM Upotreba prirodnog gasa kao izvora primarne energije u svijetu neprekidno raste. U  posljednjih deset godina porast potrošnje gasa je iznosio 15 % , dok je potrošnja nafte  porasla za 13,1 %, a potrošnja uglja je opala za 5,3 %. Značajan udio u porastu potrošnje prirodnog gasa imaju postrojenja sa kombinovanim ciklusom. Najveći broj postrojenja koristi prirodni gas kao gorivo. Zahtjevi za izgradnju ovih postrojenja u Velikoj Britaniji su postali tako veliki da je Ministarstvo energetike odbilo dati dozvolu za izgradnju nekoliko postrojenja sa prirodnim gasom kao gorivom. Postrojenja sa kombinovanim ciklusom sa prirodnim gasom kao gorivom, slično kao i  postrojenja sa sagorijevanjem u fluidiziranom sloju pod pritiskom i kombinovana  postrojenja sa gasifikacijom uglja, uključuju i gasnu i parnu turbinu .

Sl. 6 šematski prikaz postrojenja sa kombinovanim ciklusom

Za razliku od tih postrojenja, postrojenja s gasom kao gorivom su znatno  jednostavnija. Osnovne karakteristike ovih postrojenja su : • Niska specifična investiciona ulaganja • Najveći stepeni djelovanja • Kratko vrijeme i projektovanja i izgradnje • Velika fleksibilnost ( kratko vrijeme potrebno za puštanje u pogon i dobre 9

karakteristike i pri manjim opterećenjima ) • Niski troškovi održavanja • Mala emisija štetnih sastojaka produkata sagorijevanja Specifična investiciona ulaganja se kreću od 400 do 900 US$ po instalisanom kW zavisno od modela i snage postrojenja. Stepen djelovanja postrojenja sa kombinovanim ciklusom najvećim dijelom zavisi od efikasnosti gasne turbine, odnosno od temperature produkata sagorijevanja na ulazu u gasnu turbinu.

6. GORIVE ĆELIJE Za razliku od klasičnih energetskih tehnologija sa sagorijevanjem fosilnih goriva, gorive ćelije su sistemi u kojima se hemijska energija goriva direktno transformiše u električnu energiju. Prema tome, gorive ćelije nemaju ograničenje u vrijednosti stepena djelovanja koje imaju ostala termoenergetska postrojenja. Prva goriva ćelija je izgrađena još 1839. godine, ali je njihov razvoj praktično započeo 1960.-ih, sa  primjenom u vasionskim programima. U principu goriva ćelija radi slično kao i baterija, ali , za razliku od baterije, ne može se isprazniti i ne zahtijeva ponovno punjenje. Goriva ćelija radi sve dok se dovodi gorivo. Sastoji se iz dvije elektrode i elektrolita. Šematski prikaz jednog od tipova gorive ćelije je prikazan na sl. 5. Reakcije konverzije energije se odvijaju na elektrodama. Elektrode su porozne i vodik ulazi u pore anode gdje reaguje sa elektrolitom pri čemu se oslobađaju elektroni. Kisik se dovodi na strani katode u čijim  porama reaguje. Razvijeno je ili je u fazi razvoja nekoliko tipova gorivih ćelija, različitih karakteristika i namjena. Nazivi gorivih ćelija su izvedeni iz naziva elektrolita koji koriste. Najširu  primjenu u termoenergetici su do sada našle gorive ćelije sa fosfornom kiselinom kao elektrolitom. Izgrađena su postrojenja snage od 200 kW do 11 MW. Gorive ćelije snage 200 kW su komercijalizirane i pokazale su se veoma pouzdanim izvorom energije. Neke od ovih ćelija su radile neprekidno ( bez zastoja ) više od 9000 sati.  Najperspektivnijim za primjenu u termoenergetici se, ipak, smatraju gorive ćelije sa keramičkim elektrolitom i gorive ćelije sa karbonatima kao elektrolitom, zbog mogućnosti rada na višim temperaturama i korištenja u kombinovanim ciklusima, kao i za kogeneraciju.

10

Sl.7 šematski prikaz gorive ćelije

Osnovne karakteristike gorivih ćelija su: • Visoki stepeni djelovanja • Modularna izrada • Mogućnost primjene različitih goriva • Veoma malo zagađenje okoline i mala buka • Fleksibilnost u pogonu • Mogućnost primjene u distribuiranim sistemima Očekuje se da bi stepen djelovanja kombinovanog postrojenja sa gorivom ćelijom i gasnom turbinom mogao dostići vrijednosti od 72 – 74 %. Poređenje predviđenih stepena djelovanja postrojenja sa gorivom ćelijom sa nekim od drugih tehnologija je  prikazano na sl. 8.

Sl. 8 Stepeni djelovanja postrojenja sa različitim tehnologijama

11

Modularna izrada znatno pojednostavljuje pripremu terena i izgradnju postrojenja i skraćuje vrijeme izgradnje. Bitna karakteristika gorivih ćelija je da stepen djelovanja  postrojenja neznatno zavisi od kapaciteta postrojenja, što nije slučaj sa najvećim  brojem drugih postrojenja za proizvodnju električne energije. Stepen djelovanja  postrojenja sa gorivim ćelijama se veoma malo mijenja i sa promjenom opterećenja. Ove karakteristike čine gorive ćelije posebno pogodnim za distribuirane sisteme, kojima se u posljednje vrijeme pridaje sve više pažnje.

12

7. ZAKLJUČAK  Sve navedene energetske tehnologije omogućavaju izgradnju postrojenja sa značajno većim stepenom djelovanja od klasičnih tehnologija. Pored toga, sve navedene tehnologije se mogu koristiti i za kogeneraciju (istovremenu proizvodnju električne i toplotne energije) što pruža mogućnost još racionalnijeg korištenja primarne energije.  Neke studije ukazuju da bi povećanje efikasnosti u narednih 20 godina moglo iznositi čak 20 do 30%, što jasno govori kolike uštede u potrošnji energije se mogu ostvariti  primjenom novih i efikasnijih energetskih tehnologija. Povećanjem efikasnosti se postiže, ne samo ekonomičnija proizvodnja, nego i smanjenje zagađenja okoline, što pogoduje naporima koji se u svijetu poduzimaju na očuvanju okoline.

13

8. KORIŠTENA LITERATURA: Prof. dr. Alija Lekić, Mašinski fakultet Sarajevo, “Neke nove energetske tehnologije” Modernizacija životne sredine i ljudska bezbjednost, Bachelor rad http://www.wikipedia.org/ www.hitech.at Časopis za inovacije od siemens-a, izdanje april 2008

14