6. Korszerű erőművi technológiák Erőművi technológia 6. Korszerű erőművi technológiák

A hidrogén bekeverése a földgázba d – a relatív sűrűségi határ Megújulós villanyból földgázt – 1. A hidrogén bekeverése a földgázba A megújulókból termelt villany vegyi tárolásának egyik módja hidrogén termelése elektrolízissel. A termelt H2 aztán bekeverhető a földgázba. A bekeverésnek vannak korlátjai. A földgázhoz kevert hidrogén jelentősen megváltoztatja a gáz jellemzőit. Ezt mutatja az ábra. A hidrogén koncentrációjának a növekedése csökkenti az égéshőt és a Wobbe-számot, mivel a földgázhoz képest a hidrogén sűrűsége sokkal kisebb. A német G260-as előírás szerinti határérték a fajlagos sűrűségre (d=0,55) bemutatja, hogy a külön-féle eredetű földgázhoz mennyi hidrogén keverhető. Kedvező esetben 20% is elérhető. A gázturbinákban használt gázhoz keverhető hidrogén 3-4% lehet, de laboratóriumban 9%-ot elértek már. d=0,75 H gáz 5% H2 10% H2 15% H2 5% H2 d=0,55 5% H2 20% H2 10% H2 10% H2 15% H2 30% H2 15% H2 20% H2 L gáz 20% H2 30% H2 30% H2 holland földgáz L hidrogénnel Északi-tengeri földgáz H hidrogénnel orosz földgáz H hidrogénnel d – a relatív sűrűségi határ Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 7/8. sz. 2011. p. 5-11.

Megújulós villanyból földgázt – 2. villamos energia megújuló forrásokból A megújuló forrásokból eredő villamos energia egyenirányítva elektrolízissel vízbontáshoz használható (ma mintegy 70% hatásfokkal). A termelt oxigén leválasztható, de a hidrogén tovább kezelhető. Tisztítás és szárítás után egyrészt bekever-hető a földgáz vezetékébe, másrészt szén-dioxiddal metán állítható elő vele. Az exotherm reakcióból hő adódik, amely hasznosítható. A CO metánosí-tása hagyományos megoldás a szénelgázosításnál, és itt 250°C felett már 75-85% hatásfokot elértek. A CO2 metánosításával hasonló hatásfokot várnak a kísérleti berendezésekben. A fő feladat a hő elvezetése, a leg-jobb hőmérséklet, katalizátor megtalálása. trafó egyenirányító elektrolízis tápvíz-tároló hőtároló elektrolitszűrő hűtés hidrogén (H2) oxigén (O2) gáztisztító, gázszárító gázsűrítő, gáztároló metánosító opció: közvetlen betáplálás gáztisztító szén-dioxid CO2 GDRM* GDRM* kondicionálás H2 földgázvezeték CH4 *GDRM = gáznyomás-szabályozó és mérő (Gasdruckregel- und Messanlage) Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 7/8. sz. 2011. p. 5-11.

Új technológia a mesterséges földgázhoz Villamos hálózat villamosenergia-termelés Földgázhálózat villamosenergia-tárolás szél nap kapcsolt termelés gáztároló H2 H2 elektrolízis, H2-tároló metánosítás CH4 CO2 CO2-tároló CO2 CO2 SOLARFUEL Az új technológia vizet és szén-dioxidot a szél- vagy naperőműből származó villamos energiával közvetlenül szintetikus földgázzá alakítja. Első lépésben a vizet elektrolízis segítségével hidrogénre és oxigénre bontják. A második lépésben a hidrogént és a széndioxidot metánná egyesítik. Az energiasűrűség háromszorosára növekedik. Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 4. sz. 2011. p. 8.

Bizonyított világrekord-hatásfok Irsching 4 SCC5-8000H Mért hatásfok: η = 60,75% Mért teljesítmény: Pn= 578 MW P=609 MW G 600°C 180 bar Duna 6-8 órás állásidő után 30 min alatt teljes terhelésre; a minimum 100 MW-ról 570 MW-ra 35 MW/min-mal. Az E.ON erőművén kívül a Siemens SGT5-8000H gázturbinájára további hét megrendelés érkezett. Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 9. sz. 2011. p. 24-26.

A világ legnagyobb gázturbinája Siemens Gázturbina SGT5-8000H: 340  375 MW η=39%  η=40%; …………………………….CCGT SCC5-8000H-1S: 530  570 MW η>60%  η>60%; nettó földgáz 5 bar, 300°C Irschig 4 Erőmű, 2009-ben csak a gázturbina (200 indulás, 3000 üzemóra alatti vizsgálatokkal); Utána 2011-ben az egész CCGT, egy tengelyen, E.ON Kratwerke NOx < 25 ppm, CO < 10 ppm, napi indulások, 50%-ra való leterhelések, GT 15 MW/min, (gy. 35 MW/min). ~1500°C 19,2 bar tengely-kapcsoló G HP IP LP 820 kg/s ηG=99% 625°C 170 bar, 600°C 35 bar, 600°C csapadékvíz-szivattyú csapadékvíz-tisztítás 80°C háromnyomású hőhasznosító kazán földgáz 210°C tápszivattyú Forrás: Modern Power Systems, 29. k. 9. sz. 2009., p. 13-19.

Korszerű CCGT egység indítása Irsching 5 erőműblokk (SCC5-4000F MS) 860 MW indítási idő ~ 30 min 827 MW 762 MW 3000 gázturbinák fordulatszáma gőzturbina fordulatszáma fordulatszám, min-1 2000 gázturbinák teljesítménye 1000 gőzturbina teljesítménye idő, min Forrás: VGB PowerTech,, 90. k. 9. sz. 2010. szeptember p. 96

Hulladékhasznosító erőmű Budapesten Európában 432 ilyen erőmű működött 2008-ban; nálunk ez az egyetlen. Az egész országban évente kb. 4,5 M t települési hulladék keletkezik, melynek kb. 15%-át anyagként hasznosítják, mintegy 75%-át lerakják. 24 MW Budapesten 2010-ben 702 965 tonna települési szilárd hulladék keletkezett. Ennek közel 60%-a energia termelésé-re hasznosult a Fővárosi Hulladék-hasznosító Műben. kémény, 120 m 20 MW 2010-ben: Villany ki 130 GWh Hő ki 530 TJ Hulladék be 3150 TJ energetika trafók hulladékadagoló tölcsér hulladékadagoló asztal primerlevegő-ventilátor levegőelosztó kamrák salakkitoló berendezés hengerrostélyok salakkezelő csarnok salakbunker vaskiválasztó 22. gőzturbina 23. generátor 24. fűtési hőcserélő 25. villamos távvezeték 26. távfűtés 27. elgőzölögtető felületek 28. kazándob 29- túlhevítő felületek 30. tápvíz-előmelegítő felületek füstgáztisztítás 10. karbamid-befecskendezés 11. leválasztó ciklon 12. mésztej-porlasztás 13. hidraulikus egység 14. abszorber 15. aktív koksz befúvása 16. zsákos szűrő 17. szívóventillátor 18. cementsiló 19. karbamid-siló 20. pernye- és maradékanyag-siló 21. elszállító jármű hulladékégetés 8 Forrás: National Geographic (Magyarország) 2011. szeptember 11, p. 24-26.

Szénelgázosítós összetett körfolyamatú erőmű ELCOGAS, Puertollano (Spanyolország) 335 MW-os erőművének tapasztalatai Hőséma Teljesítőképességek, MW friss gőz 135 MW NNy gőz hőt hasznosító kazán G ISO Helyszínen gőzturbina Gázturbina 200,0 182,3 mészkő közép-nyomású gőz Gőzturbina 135,0 135,4 petrol-koksz szén Bruttó összes 335,0 317,7 forró gáz kondenzátor Nettó összes 300,0 282,7 hűtőtorony kazán tiszta gáz Bruttó hatásfok 47,1% szén-előkészítő kazán nyers gáz szűrő mosó kén- leválasztó 200 MW G gázosító Nettó hatásfok 42,2% szén gázturbina Villamosenergia-termelés szénnel, földgázzal levegő kén- vissza- nyerő földgáz salak pernye víz O2 GWh szén N2 O2 kén (99,8%) maradék N2 levegő szétválasztás sűrített levegő Szerződéskötés 1992 Gázturbina szinkron 1996. 06. Üzem földgázzal 1996. 10. Levegőbontó üzembe 1997. 06. Áttérés gázról szénre 1998. 03. Tüzelőanyag: szén 13,10 MJ/kg petrolkoksz 31,99 MJ/kg keverék 22,55 MJ/kg Forrás: Modern Power Systems,, 30. k. 9. sz. 2010. szeptember, p. 25-28.

Összetett decentralizált energiaellátás villany t Kompressziós légsűrítő (4 kWel) Levegőtároló (0,2 m3) sűrített levegő Kompressziós hűtőgép (15 kWhő) Hidegtároló (2 m3) t hideg Abszorpciós hűtőgép (15kWhő) t meleg Tömbfűtő-erőmű (30 kWel, 40 kWhő) Hőtároló (2 m3) t tüzelőanyag (növényi olaj) 10 Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 10. sz. 2011. p. 38-41.

Gázturbinás erőművek gőz- és víztárolókkal A gázturbinás rendszereknél levegőtárolás a szokásos, pedig vízzel is lehet. A füstgáz B C füstgáz * alternatíva (opció) hő kiadása víz gőz* tüzelőanyag tüzelőanyag tüzelőanyag gőz* égő-kamra égő-kamra égő-kamra sűrítő sűrítő sűrítő G G G turbina víz generátor turbina generátor turbina generátor víz környező levegő környező levegő környező levegő Egytengelyes gázturbina a beszívott levegő hűtésével, belső hővisszanyeréssel (a sűrített levegő előmelegí-tésével) és hasznos hő kiadása kapcsolt energia-termelést lehetővé téve hőt hasznosító kazánnal Egytengelyes gázturbina a hőz hasznosító kazánnal gőzt termelve (Cheng-ciklus) és gőz befúvása a sűrített levegőbe (*) STIG-kőrfolyamat (Steam Injected Gas Turbie) Egytengelyes gázturbina a belső hővisszanyeréssel, víz előmelegítése, és a sűrített levegő telitett állapotba hozása HAT-kőrfolyamat (Humid Air Turbine) Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 7/8. sz. 2011. p. 50-53.

Gázturbinás erőművek gőz- és víztárolókkal A gázturbinás rendszereknél víz (gőz) tárolásával füstgáz ** optimális megoldással szelep M hő kiadása tüzelőanyag tároló tartály tároló tartály villamos fűtés** villamos fűtés** gőz* víz* égő-kamra nagy-hőmérsékletű energiaforrás** G kishőmérsékletű energiaforrás** sűrítő turbina generátor szivattyú környező levegő szivattyú szivattyú víz * alternatíva (opció) kishőmérsékletű tároló, előmelegítő fokozattal nagyhőmérsékletű tároló, felmelegítő fokozattal berendezések forró víz vagy/és gőz termelésére, víz tárolására különféle állapotban gázturbinás berendezés forró víz befecs-kendezésére vagy gőz befúvatására, különféle hőcserélőkkel Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 7/8. sz. 2011. p. 50-53.

Energiatárolás – elvi felosztás termikus mechanikus vegyi villamos szenzibilis hőtároló szivattyús tároló akkumulátor kondenzátor K K L/K L gőzös hőtároló L lendkerekes tároló L K Redox-Flow szupravezető mágnes L hidrogén K latens hőtároló diabatikus levegőtároló K K K szorpciós hőtároló adiabatikus levegőtároló K Felhasználási cél: Fejlesztési állapot: K – nagy kapacitás L – nagy teljesítmény kutatás és fejlesztés demonstráció piacon Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63 k. 5. sz. 2011. p. 54-62.

természetes hozzáfolyás Különféle tárolós megoldások átalakítás tárolás visszanyerés 1 szivattyús villany szivattyú medence vízturbina villany 2 hozzáfolyós természetes hozzáfolyás tároló tó vízturbina villany 3 diabatikus* villany sűrítő kaverna gázturbina villany rátüzelés 4 adiabatikus villany sűrítő kaverna gázturbina villany hőtároló 5 központi H2 villany elektrolízis kaverna CCGT** villany 6 decentral. H2 villany elektrolízis tartály staci. TC*** villany mobil TC villamos motor hajtás 7 járműves villany töltés akkumulátor kisütés villany villamos motor hajtás * diabatikus= külső hőbevezetéses; ** CCGT= összetett körfolyamattal; *** TC = tüzelőanyag-cella Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 61. k. 6. sz. 2011. p. 26-31.

Új levegőtárolós megoldás (ADELE) Németországban az RWE és a GE közösen épít egy új levegőtárolós megoldást ADELE néven – adiabatikus sűrítéssel levegő tárolása a villamos energia tárolása céljából. A megvaló-síthatósági tanulmány (2007) alapján a szerződést 2010 januárjában megkötöt-ték, és a bemutatóra szánt létesítmény 2013-ra készül el (1 GWh tárolási és 200 MW-os kisütési teljesítménnyel). hőtárolók turbina sűrítő szűrő sűrítés expanzió C E M G termikus energia- tároló levegő be tároló töltés kisütés levegőtároló (kaverna) Forrás: Modern Power Systems,, 30. k. 3. sz. 2010. március, p. 10.

Energiatárolás – a főbb jellemzők Fajlagos kapacitás kWh/t Teljesít-mény, MW Tárolási hatásfok Tárolási idő Beruházás €/kWh Megjegyzés Szivattyús 1 1-1000 80% nap, hónap 50 Jó hatásfok, nagy kapacitás, korlátozott lehetőségek, nagy helyigény Levegős 2 kWh/m3 300 40-70% nap 400-800 Diabatikusnál fosszilis igény van, adiabatikusnál hőtárolás szükségessége Ólom akku. 40 ütemez-hető 85% 200 Kis ciklikus állékonyság és kis fajlagos kapacitás, alacsony költségek Lítium-ion akku. 130 90% 1000 Nagy fajlagos teljesítmény, drága megoldás, fejlődő NaS akku. 110 Nagy nyugalmi veszteség, veszélyességi potenciál Redox-Flow 25 0,01-10 75% 500 Nagy tárolási kapacitás, problémás a környezettel Szenzibilis 10-50 0,001-10 50-90% nap, év 0,1 Piacérett, olcsó megoldás, kis fajl. tárolókapacitás Latens 50-150 0,001-1 75-90% óra, hét Drágábbak, mint az előző, de nagyobb fajlagos tároló képességűek Termokémiai 120-250 0,01 - 1 100% óra, nap 8 - 40 Hidrogén 30 000 25-50% 1000 €/kW Igen nagy tárolókapacitás, kis tárolási hatásfok, drága Mechanikus Elektrokémiai Termikus Vegyi Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63 k. 5. sz. 2011. p. 54-62.

Fajlagos beruházás €/kWh Fajlagos beruházás €/kWh A tárolós technológiák fejlődése 2007-ben Fajlagos beruházás €/kW Fajlagos beruházás €/kWh Segéd-költségek Hatásfok % Élettartam év Fajlagos CO2-em. g/kWh Szivattyús tárolós 1600 10 16 80 60 Levegőtárolós1) 600 3 30 54 275 NaS akkumulátor 1500 250 2 75 120 Vanádium Redox 44 2030-ban Fajlagos beruházás €/kW Fajlagos beruházás €/kWh Segéd-költségek Hatásfok % Élettartam év Fajlagos CO2-em. g/kWh Szivattyús tárolós 1500 10 15 84 60 Levegőtárolós2) 750 3 37,5 70 30 28,7 NaS akkumulátor 700 175 2 85 120 Vanádium Redox 1200 480 80 44 Megjegyzés: 1) diabatikus (külső tüzelőanyaggal) 2) adiabatikus (külső hőforrás nélkül) Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 60. k. 9. sz. 2010. p. 74. 17

Száraz barnaszénre (fejlesztés alatt) Rugalmasabb erőműpark (RWE) barnaszén földgáz 100% 100% Niederaußem H, 600 MW, 1974 Gersteinwerk F, 420 MW, 1970 75% 75% 50% 50% Száraz barnaszénre (fejlesztés alatt) Lingen, CCGT, 875 MW, 2009 25% 25% 0% 0% 0 15 30 45 60 min 0 15 30 45 60 min feketeszén atom 100% 100% Westfalen C, 300 MW, 1969 75% 75% Emsland, 1400 MW, 1988 50% 50% Westfalen D&E, 2x800 MW, 2011 25% 25% 0% 0% 0 15 30 45 60 min 0 15 30 45 60 min Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 62. k. 11. sz. 2010. p. 51

Szénerőmű-blokkok terhelésváltoztatása feketeszén (~4%/min) barnaszén (~3%/min) Összehasonlításként: OCGT 20%/min (20-100%) CCGT 6%/min (33-100%) Forrás: Strauss, Karl: Kraftwerkstechnik zur Nutzung fossiler, nuklearer und regenerativer Energiequellen, 2006. p. 329.

Rugalmasabb fosszilis hőerőművek – 3. A szén- és földgázerőmű terhelésváltoztatási sebessége teljesítmény, MW új feketeszén-erőmű, 1000 MW meglévő feketeszén-erőmű, 1000 MW 70 MW/min 30 MW/min 20 MW/min meglévő barnaszén-erőmű, 1000 MW 35 MW/min új földgázerőmű, CCGT, 600 MW idő, min 20 Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 11. sz. 2011. p. 20-28.

feketeszén-tüzelésű blokk teljesítmény növelése Rugalmasabb fosszilis hőerőművek – 3. A szén- és földgázerőmű összekapcsolása (repowering) (Ilyen megoldást használtak a Mátrai Erőműben is.) hatásfok, % +2 gázturbina +1 gázturbina hatásfok növelése feketeszén-tüzelésű blokk teljesítmény növelése terhelés, % 21 Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 11. sz. 2011. p. 20-28.

Kapcsolt termelés CO2 nélkül 3 MW villamos energia CO2 oxigén Jacobs hűtő víztisztítóba gőz-turbina G CES égő gáz vagy folyékony tüzelő 12 MW távhő visszavezetett meleg víz túlhevített gőz a levegőbontó turbinájához villamos energia pótvíz CO2 oxigén Jacobs gőz-turbina G CES égő gáz vagy folyékony tüzelő víztisztítóba visszavezetett meleg víz Forrás: Modern Power Systems,, 30. k. 2. sz. 2010. február, p. 23.

ORC kiegészítés gázmotorhoz 1 A villamos teljesítőképesség 11%-kal nő; A hatásfok 45%-ról 55%-ra növekedik. 6 7 2 5 4 3 1 S G pl. +1050 kW 400°C 7 2 Wärtsilä gázmotor (pl. 9 MW) 6 5 95°C 3 4 Forrás: Modern Power Systems,, 30. k. 2. sz. 2010. február, p. 23.

Fatüzelés Organikus Rankine-Ciklussal (ORC) termoolaj-körfolyamat ORC generátor eco G turbina 650 kW, ~ 4 GWh/év kazán elgőzö-lögtető biomassza regenerátor tűztér η =16,7+71,7=87,4% levegő kondenzátor hőkiadás 3,3 MW fűtésre 100 TJ/év szilikon-olaj hőteljesítmény 4,6 MW erdei faapríték tüzelése kb. 40 000 m3/év hőcserélő eco távfűtés Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 59. k. 3. sz. 2007. p. 59.

Capstone-mikro-gázturbina levegő 4,6 bar földgáz 11 Nm3/h (Hu=10 kWh/Nm3) 514°C távhő 28 kW 811°C G 565°C 202°C 65°C Villamos hatásfok 25% Évi összhatásfok 79% 58 kW 261°C 65°C Forrás: VGB PowerTech, 84. k. 6. sz. 2004. p. 46.

A fosszilis erőművek hatásfokai Gőz-körfolyamatú szénerőművek CCGT típusú gázerőművek Szénelgázosítós gázerőművek 700°C erőmű Irsching 4 Mainz-Wiesbaden referencia-erőmű Puertollano A nettó villamos hatásfok várható növekedése Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 61. k. 9. sz. 2009. p. 28.

Összetett energiatároló rendszer – A Szélpark, csöves nyomottlevegő-tároló, villamos fűtésű sótároló, összetett gáz- és gőzkörfolyamat Opció: földgáz Opció: 1140°C 780°C gázturbina sótároló 800°C 780°C G 538°C 72 kg/s, 300°C 50 MW 60°C levegő sűrítő 100 bar, 500°C M gőzturbina G 115 kg/s, 350°C 0,05 bar 330°C nagynyomású levegő csöves tárolója Tárolási hatásfok: 55% Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 61. k. 10. sz. 2009. p. 25.

Összetett energiatároló rendszer – B Szélpark, villamos fűtésű sótároló, gőzkörfolyamat sótároló 600°C 100 bar, 550°C 17,5 MW gőzturbina G 50 MW 0,05 bar A sótárolóval mind az érezhető, mind a rejtett hőt fel lehet venni. A só a szilárd és a folyékony halmazállapot között változik, ezért a tárolót PCM1)-tárolónak nevezik. Ilyen sókeveréket használnak a spanyol Andasol-1 parabolacsatornás naperőmű-nél. Nátrium- és kálium-klorid keveréke 600°C-hoz megfelelő, mert a sónak csak 50%-a kristályosodik. Tárolási hatásfok: 35% 1) PCM = Phase Change Material Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 61. k. 10. sz. 2009. p. 26.