37
UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg World primary energy consumption -Reference Case (Source: IGU)

World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

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

Page 2: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

3000 GW novihzmogljivosti

1000 GW samo za nadomestitev odsluženihnadomestitev 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

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 3: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

PRIMERJAVA PROIZVODNJE HSE IN OSTALE OBSTOJEČE PROIZVODNJE S PROJEKCIJAMI RABE EL. EN. V SLOVENIJI

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

20.000GWh

0

2.000

4.000

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Ostala obstoječa proizvodnja v Sloveniji Obstoječa proizvodnja HSENova 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

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 4: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Urejeni diagram obremenitve

P

C SREDNJA OBREMENITEV

OSNOVNA OBREMENITEV

KONICA

8760 h

A

t 0

B

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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 5: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Letna raba električne energije, proizvodnja na pragu ter ocena za naslednja leta

20000

25000

30000

35000Končna poraba-SKUPAJ

Proizvodnja na pragu-SKUPAJ

TEŠ 5 + 6 (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.)

0

5000

10000

15000

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

2029

2030

2031

2032

2033

2034

2035

2036

2037

2038

2039

2040

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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 6: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Raba energije v vozliščih elektroenergetskega omrežja R SlovenijeIz 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, 23. 11. ob 13. uri; 1551 MW • 4. teden 1996 torek, 23. 1. ob 14. uri; 1599 MW • 49. teden 1997 sreda, 3. 12. ob 14. uri; 1652 MW • 50. teden 1998 sreda, 9. 12. ob 18. uri; 1734 MW • 49. teden 1999 četrtek, 9. 12. ob 18. uri; 1686 MW • 50. teden 2000 petek, 15. 12. ob 14. uri; 1705 MW • 50. teden 2001 četrtek, 13. 12. ob 18. uri; 1838 MW • 50. teden 2002 četrtek, 12. 12. ob 18. uri; 1901 MW • 50. teden 2002 četrtek, 12. 12. ob 18. uri; 1901 MW • 50. teden 2003 četrtek, 11. 12. ob 18. uri; 1923 MW • 51. teden 2004 torek, 14.12.2004 ob 19. uri; 1991 MW • 5. teden 2005 ponedeljek, 31.1. 2005 ob 19. uri; 1992 MW • 4. teden 2006 četrtek, 26.1. ob 18. uri; 2074,75 MW. • 51. teden 2007 sreda, 19.12. ob 19. uri; 2060,35 MW • 2. teden 2008 četrtek, 10.1. ob 19. uri; 1960,94 MW • 51. teden 2009 četrtek, 17.12. 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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 7: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

kemična energija

toplota mehanska energija

električna energija

TERMOELEKTRARNE

jedrska energija

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

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.

Page 8: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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 O2 → 3,667 kg CO2 + 32,78 MJ

1 kg H2 + 8 kg O2 → 9 kg H2O + 142,1 MJ

Preglednica: Povprečna sestava čistega suhega zraka

Plin Volumski % Utežni %

dušik 78,09 75,51

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

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 m3 (5,6 m3) kisika oziroma 8,88 m3 (26,73 m3) zraka.

Page 9: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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 450-600 antracit 450-600

etan (C2H6) 470-630

etilen (C2H4) 480-550

vodik (H2) 575-590

metan (CH4) 630-750

ogljikov monoksid (CO) 610-657

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 10: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Sestava in kurilne vrednosti naftnih derivatov

Vrsta derivata % Utežna sestava Zgornja kurilna

vrednost

C H2 O2 +N2 S pepel (kcal/kg) (MJ/kg)

kurilno olje 86,5 12,7 0,2 0,7 sledi 10.800 45,2

lahko olje 86 12 0,5 1,5 0,02 10.500 43,96

mazut 85,75 10,5 0,9 3 0,08 10.150 42,5

petrolej 83,5 10,9 2,2 3,6 - 9665 40,47 petrolej 83,5 10,9 2,2 3,6 - 9665 40,47

katran 89,5 6,7 3,5 0,6 - 9020 37,77

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 11: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Sestava in kurilne vrednosti plinastih goriv

Plinasta goriva Sestava (utežni odstotki) Zgor. kuril. vred.

CO H2 CH4 CnHm CO2 N2 O2 (kcal/kg) (MJ/kg)

vplinjeni premog

4,7 2,5 38,5 35,9 10,3 7,3 0,8 8640 36,2

vplinjeni koks 71 6,4 0,3 - 14 8,3 - 3560 14,9

generatorski plin 31 0,9 0,2 - 8 59,1 - 985 4,12

zemeljski plin - - 63-88 6-29 0,5-8 0,5-7,3 - 9000-11.050

37,6-46,2

zemeljski plin - - 63-88 6-29 0,5-8 0,5-7,3 - 11.050 46,2

plavžni plin 30 0,2 1,3 - 14 55 - 5900 24,69

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 12: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Sestava in kurilne vrednosti trdnih goriv

Trdna goriva Zgornja kurilna vrednost Pepel Vlaga Plinaste

komponent

e

(kcal/kg) (MJ/kg) [%] [%] [%]

antracit 7600-8100 32-33,9

koks 6900-7000 28-29,3

èrni premog 5000-6700 21-28

rjavi premog 3600-4800 15-20

lignit 2300-3100 10-13

šota 2600-3000 11-12,5 1-2 37-45 38-40

les 4200-5400 17,5-22,6 0,5-3 10-20 75

lesni odpadki, lubje 3300 13,8 2 15 70

slad. trs kot gorivo 2200-4860 9,2-20,3 1,3 40 45

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 13: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Sestava in kalorična vrednost črnih premogov

Dežela Tipična analiza [[[[%]]]] Zgor. kalor. vred.

vlaga plin. kompon. ogljik pepel (kcal/kg) (MJ/kg)

Avstralija 0,5-2,6 30-37 50-65 11-15 6500-7300 27-30,5

Južna Afrika 2-5,5 16-27 50-70 9-16 5900-6800 24,5-28,5

Kanada 1,4-4 25-34 51-62 10-12,5 7000 29,3

Kitajska 2,5-5,4 25-30 40-45 20-31 5200-6000 22-25

Poljska 4-17 21-32 40-59 6-22 4500-7500 16,7-31,4

Velika Britanija 0,7-7,5 11-36 57-85 2-4 7400-8000 31-33,5

Združene države Amerike 1,5-3,5 20-40 60-80 5-9 7700 32,2

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 14: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi
Page 15: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Proizvodnja električne energije v termoelektrarnah sloni na večkratnem preoblikovanju energije.

kotel

gorilnik reaktor

turbina

generator

kemična ali jedrska energija

toplotna energija

mehanska energija električna

energija

porabniki pare

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 16: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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: določeni (stalni) nizki temperaturi. Za vse povratne procese je določena entropija z izrazom:

d

dQ

ST

=

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 17: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Carnotov krožni cikel je sestavljen iz naslednjih delnih procesov:

Izotermna ekspanzija 1 → 2 Qdov = Q12 = T·(S2 - S1)

Adiabatna ekspanzija 2 → 3 Q23 = 0

Izotermna kompresija 3 → 4 Qodv = Q34 = T0·(S2 - S1)

Adiabatna kompresija 4 → 1 Q41 = 0

p

2 1

T

T

A

4 3

2

1

V

T

T0

Qdov-Qodv

4 3

2

S

T0

∆S

Carnotov krožni cikel v pV diagramu

Carnotov krožni cikel v TS diagramu

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 18: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

Termični izkoristek je pri Carnotovem stroju odvisen le od razlike temperature.

odv 0c th

12 dov

1 1Q TA

Q Q Tη η= = = − = − ( T [K] )

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).

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 19: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

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 %.

Page 20: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

turbina

para

kotel G

kondenzator

Toplotna shema elektrarne manjše moči brez pregrevanja

generator

turbina

G kotel

kondenzator

Toplotna shema običajne termoelektrarne na trda goriva s ponovnim pregrevanjem

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 21: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

generator

reaktor

turbina

turbina

G

kondenzatorpregrevalnik

predgrevalnik

Toplotna shema tlačnovodnega ali vrelnega reaktorja

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 22: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 23: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

V odprtem procesu doteka zrak (kompresor) iz okolja, zgori z gorivom v zgorevalni komori ter gre skozi turbino spet v okolico.

MG

zgorevalnakomora

kompresor

zrak

gorivo

turbina

Shema preproste plinske turbine Shema preproste plinske turbine

Prerez zgorevalne komore

mešalno področje

gorivo

svečka

vroči pliniza turbino

zgorevalno področje

zrak izkompresorja

zračni pretok okolizgorevalne komore

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 24: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

p2

p1

tlak

adiabatna ekspanzija v turbini

adiabatna kompresija v kompresorju

povečanje prostornine ob zgorevanju goriva

p1 prostornina

razmerje r = p2/p1

pV diagram za idealno plinsko turbino in kompresor

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 25: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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 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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 26: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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. 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 dvo-taktni 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).

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 27: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

1: sesalni gib 2: kompresijski gib

stisk zraka, gorenje in ekspanzija plinov

zaprta izpušnaodprtina

odprta dovodnaodprtina

1: polnilni in gorilni gib

f

a

b

a

3: delovni gib 4: izpušni gib 2: praznilni in začetni gib

vstop čistilnega zraka

izpuh

zaprta dovodnaodprtina

b, c

d, e

f

e

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 28: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

b c

d

e

a f

prostornina

tlak tlak

prostornina

a

f e

c d

b

a-b Praznjenje in začetek b-c Kompresija

Gib 1

c-d Zgorevanje d-e Ekspanzija e-f Izpuh in odpiranje ventila f-a Izpuh in čiščenje

Gib 3

f-a Dotok svežega polnjenja Gib 1

a-b Kompresija Gib 2

b-c Zgorevanje c-d Ekspanzija d-e Odpiranje ventila

Gib 3

e-f Izpuh Gib 4

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 29: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 30: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

generator

turbina

G kotel

procesna para

kondenzator

Sočasna proizvodnja pare in električne energije 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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 31: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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 25-45 °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. parametri pare so 28 barov in 400 °C pri malih in 63 barov in 480 °C pri največjih.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 32: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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. 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.

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 33: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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. gorivo

zrak

dimnik

plinska turbinas kompresorjem

generator

kotel

para

parna turbina

generator

kondenzator

vroč plin

G

G

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 34: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

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 ogrevanjetekoče ogrevanje

neposredno ogrevanje

posredno ogrevanje

generator

toplotnaenergijauvod zraka

kompresor turbina

gorivo

G

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 35: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

63,75 %

36,25 %

moč plinsketurbine

neuporabljenatoplota

35,60 % 10,00 %

54,40 %

neuporabljenatoplota

moč plinsketurbine

moč parneturbine

a) plinska turbina b) kombinirani plinsko-parni proces

41,20 %

5,00 %

18,20 %

35,60 %

neuporabljena toplota

moč plinske turbine

moč parne turbine

procesna toplota

c) sočasna proizvodnja toplote in električne energije

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 36: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi

UM FERI Laboratorij za energetiko Jože VORŠIČ Energetski trg

Page 37: World primary energy consumption -Reference Case · kisika oziroma 8,88 m 3 (26,73 m 3) zraka. Pogoji za reakciji sta dovolj visoka za četna temperatura, primerno mešanje zmesi