Korszerű erőművi technológiák

Az előadások a következő témára: "Korszerű erőművi technológiák"— Előadás másolata:

1 Korszerű erőművi technológiák
Fejlett körfolyamatok Nem szokványos munkaközegek alkalmazása Korszerű erőművi technológiák

2 különleges techno-lógiák
Fejlesztési irányok hagyo-mányos SC USC kombinált ciklusok növelt paraméterek felépítés különleges techno-lógiák ORC Kalina komplex rend-szerek biomassza-földgáz megújulók+tárolók

3 Hagyományos technológiák
Technológiai korszerűsítések Emelt paraméterek

4 Erőművi hatásfokok - technológia

5 Gőzerőművek fejlesztése
Gőzkörfolyamatok kezdőparamétereinek fejlődése USC 1960-as éves szubkrit. + ÚH SC hőmérséklet entrópia XX. század eleje 1940-es évek szubkrit. ÚH nélkül szubkrit. ÚH nélkül

6 Gőzerőművek fejlesztése
Korszerű szerkezeti anyagok 375/700/720/720 280/630/650 növekvő hatásfok Gőz- jellemzők 280/580/600 240/540/565 (bar/°C/°C) 167/540/540 új szerkezeti anyagok elterjedése ultraszuperkritikus szuperkritikus szubkritikus 1960 1980 2000 2020

7 Fajlagos beruházási költség
# = eset CO2 leválasztással CO2 leválasztás nélkül Demonstrációs egység megjelenésének éve

8 Hatásfok alakulása Demonstrációs egység megjelenésének éve
CO2 leválasztással CO2 leválasztás nélkül Demonstrációs egység megjelenésének éve

9 Hatásfok várható alakulása
Gőz-körfolyamatú szénerőművek CCGT típusú gázerőművek Szénelgázosítós gázerőművek 700°C erőmű Irsching 4 ref. referencia-erőmű ref. A nettó villamos hatásfok várható növekedése Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 61. k. 9. sz p. 28.

10 USC erőmű hőkapcsolása

11 USC erőmű szerkezeti felépítése
NOx leválasztó (85%) NOx „szegény” égők SO2 leválasztó (90%) pernyelev. (zsákos)

12 USC erőmű hőkapcsolása

13 USC erőmű jellemzői Lünen, Németország (üzembelép: 2012)
Tüzelőanyag: szén (porszéntüzelés) Terhelési tartomány: % Teljesítmény: 800 MW Gőzjellemzők: 270 bar 600/ 60 bar,610 °C 600 kg/s gőzáram egyszeres ÚH turbina: Siemens SPP5-6000 kazán: IHI Corp. (Japán) CO2 leválasztás: csak terv szinten

14 USC erőmű jellemzői Lünen, Németország (üzembelép: 2012)
Hatásfok: 45,6% (alsó fűtőértékre) Tápvízelőm. végh.: 308 °C (9 fokozat) Szennyezőanyag kibocsátások: CO2: 800 g/kWh NOx, SOx < 200 mg/Nm3 DeNOx (SCR), FGD (nedves mészköves) por < 20 mg/Nm3 elektrosztatikus pernyeleválasztás Természetes szell. nedves hűtőtorony

15 USC erőmű G Moorburg Erőmű (Hamburg), feketeszénre, 2x820 MW
üzembe: 2011 és 2012 276 bar 600°C 266 bar 597°C 50 bar 608°C 610°C 838 MW G 294°C 27 mbar 8 9 7 6 5 4 3 1 2 folyóvíz-hűtés 5 4 3 2 1 7 9 8 5 4 4 2 46°C malomlevegő-hűtés 120 MW távfűtés 298°C 183°C 13,4 MW 95°C

16 USC erőmű - Gőzturbina

17 USC erőmű - Anyagok

18 USC erőmű – Korszerű anyagok
Ni bázisú szuperötvözetek Inconel 625 hőm.: 1093 °C-ig Inconel 718 (ausztenites) hőm.: 760 °C-ig Inconel 718 Elem, % Carbon 0.08 max Manganese 0.35 max Phosphorus max Sulfur max Silicon 0.35 max Chromium Nickel Molybdenum Columbium Titanium Aluminum Cobalt 1.00 max Boron max Copper 0.30 max Tantalum 0.05 max Iron Balance Inconel 625 Carbon max Manganese 0.50 max Phosphorus max Sulfur max Silicon 0.50 max Chromium Nickel Balance Molybdenum Columbium Titanium 0.40 max Aluminum 0.40 max Iron 5.0 max Tantalum 0.05 max

19 IGCC (integrált szénelgázosítás)
szénpor-szárítás szénpor-tartály szénpor-zsilipek nagynyomású gőz kisnyomású gőz szén gőz elgázo-sító hulladékhőthasznosító kazán malom levegőbontó szétválasztó membrán O2 N2 He vízkezelő szén-gáz-telítő gázturbina kén COS hidrolízis MDEA savas gáz salak-eltávolító hő-hasznosító kazán gőzturbina hűtőtorony letárolás mesterséges gáz égő-tér tüzelőanyag-elem DC – AC mesterséges folyékony üzemanyag FC autó

20 IGCC (integrált szénelgázosítás)

21 Száraz barnaszénre (fejlesztés alatt)
Rugalmasság-javítás 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% min 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% min min Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 62. k. 11. sz p. 51

22 Összehasonlításként:
Rugalmasság-javítás 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, p. 329.

23 Terhelésváltoztatás 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 23 Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 11. sz p

24 Technológiák kombinációja
hatásfok, % (GT+szénerőmű Ilyen megoldást használtak a Mátrai Erőműben is.) +2 gázturbina +1 gázturbina hatásfok növelése széntüzelésű blokk teljesítmény növelése terhelés, % Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 11. sz p

25 Kombinált ciklusok Korszerű kombinált ciklusú erőművek Poligeneráció

26 Háromnyomású kombiciklus

27 Háromnyomású kombiciklus

28 Háromnyomású kombiciklus
Energetikai jellemzők teljesítmény: 400 MW (villamos) hatásfok: 60% gőznyomások: 98 / / 2,8 bar gőzhőm.: / / ≈kilépő gáz.

29 Világrekord hatásfok Irsching 4 SCC5-8000H G 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 p

30 Irsching Forrás:

31 Korszerű kombinált ciklus
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 Irsching 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 , p

32 Korszerű kombinált ciklus indítása
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 szeptember p. 96

33 Gázturbinák teljesítménynövelése
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-körfolyamat (Steam Injected Gas Turbie) Egytengelyes gázturbina a belső hővisszanyeréssel, víz előmelegítése, és a sűrített levegő telitett állapotba hozása HAT-körfolyamat (Humid Air Turbine) Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 7/8. sz p

34 MikroCHP - mikrogázturbinával
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

35 Komplex rendszerek Tárolási technológiák Megújulók hasznosítása

36 Energiatárolás H2 szivattyús tárolós levegő tárolós
óra levegő tárolós H2 NaS és más akkumulátorok Tárolási formák: a névleges teljesítmény kisütési ideje nagyüzemi energiatárolók elektromágneses szükség- áramforrások szünetmentes áramforrások elektrokémiai perc mechanikus lendkerekes tárolás másodperc kétréteges kondenzátor szupravezetős mágneses a rendszer nagysága

37 Tárolási technológiák – áttekintés
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 p

38 Levegőtárolós megoldás
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 március, p. 10.

39 Megújulók+Tárolók Szélpark, csöves nyomottlevegő-tároló, villamos fűtésű sótároló, összetett gáz- és gőzkörfolyamat Opció: 1140°C 780°C gázturbina sótároló 800°C 780°C G Opció: földgáz 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 p. 25.

40 Megújulók+Tárolók Szélpark, villamos fűtésű sótároló, gőzkörfolyamat G
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 p. 26.

41 Tárolási technológiák
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 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 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 p

42 Tárolási 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 p. 74.

43 Megújuló vill. en.  földgáz
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 bekeverhető a földgáz vezetékébe, másrészt szén-dioxiddal metán állítható elő vele. Az exotherm reakcióból hő adódik, amely hasznosítható. A CO metánosítása 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 H földgázvezeték CH4 *GDRM = gáznyomás-szabályozó és mérő (Gasdruckregel- und Messanlage) Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 7/8. sz p

44 Megújuló vill. en.  földgáz
Villamos hálózat Földgázhálózat villamosenergia-termelés szél villamosenergia-tárolás 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 p. 8.

45 Decentralizált termelés
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 tüzelőanyag (bioeredetű) meleg Tömbfűtő-erőmű (30 kWel, 40 kWhő) Hőtároló (2 m3) t Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 63. k. 10. sz p

46 Különleges technológiák
Organikus Rankine és Kalina-körfolyamat

47 ORC Munkaközegek Szénhidrogének
telített (n-pentán) telítetlen (toluol, metilbenzol) Fluorozott (halogénezett) szénhidrogének perfluorpentán részlegesen halogénezett (Heptafluorpropán: R227ea) Szilikonoljaok Siloxane (Octamethyltrisiloxane)

48 ORC

49 ORC entrópia 1 2 KP p T 4 5 6 3 2 irreverzibilis szivattyúzás
hőmérséklet entrópia 1 2 KP p l u T e c 4 5 6 3 2 irreverzibilis szivattyúzás 3 nyomásesés 4 nyomásesés 5 irreverzibilis expanzió 6 nyomásesés 1 nyomásesés valós elméleti (ideális)

50 ORC Feltételek, korlátok Szabad paraméterek
Forrás: Tb,in, tömegáram, fajhő Hűtőközeg: TCW,in, TCW,out, fajhő Szabad paraméterek munkaközeg választás Te DTmin,in, DTmin,out

51 ORC – Biomassza hasznosítás
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 m3/év hőcserélő eco távfűtés Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 59. k. 3. sz p. 59.

52 ORC – Biomassza hasznosítás

53 ORC és gázmotor Wärtsilä gázmotor 1 7 2 6 5 3 4 G 400°C (pl. 9 MW)
A villamos teljesítőképesség 11%-kal nő; A hatásfok 45%-ról 55%-ra növekedik. 6 7 2 5 4 3 1 S G pl kW 400°C 7 2 Wärtsilä gázmotor (pl. 9 MW) 6 5 95°C 3 4

54 MikroCHP A MicroCHP egységek terjedését támogatja az angol kormány. A 2 kW-nál kisebb egységekből termelt villanyt 10 p/kWh-ért (kb. 35 Ft/kWh) írja jóvá tíz éven át. Ha pedig nem otthon használják, hanem eladják a hálózatnak, még 3 p/kWh-t kapnak. Ezért fejlesztik „Kingston” néven a szerves Rankin-körfolyamat (ORC) egységét, amely a fűtés mellett 1 kW villamos teljesítményt ad – kondenzációs kazánnal és 10%-os villamos hatásfokkal – igen jó energiaátalakítás mellett, decentralizáltan. villamos energia ORC hűtőközeg fűtőközeg hőátadó közeg G hőcserélő evaporátor kondenzátor előremenő földgáz visszatérő kondenzációs kazán Forrás: Modern Power Systems, 30. k. 4. sz április, p. 43.

55 Kalina-körfolyamat Aleksander Kalina, 1983 Legfőbb előnye:
változó hőmérsékletű elgőzölgés, alacsony hőmérsékletű hőforrásokhoz is alkalmazható

56 Kalina-körfolyamat

57 Kalina-körfolyamat

58 Kalina-körfolyamat HT-preheater 11 3 4 6’ 8 Q re LT- preheater

59 Kalina-körfolyamat

60 Kalina-körfolyamat: Husavik