Upload
lynhan
View
230
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Koja energetska postrojenja smatramo konvencionalnim, a koja nekonvencionalnim?• Nekonvencionalna postrojenja su ona postrojenja koja, do
svjetske energetske krize početkom sedamdesetih godina prošlog stoljeća, u energetskoj opskrbi civiliziranog svijeta nisu sudjelovala ili su sudjelovala neznatno i ponegdje, ili je tada njihovo korištenje bilo zapušteno, a ranije su se koristili.
- Nekonvencionalna energetska postrojenja- Nekonvencionalni izvori energije
✤ prema energetskom izvoru govorimo o postrojenjima koja koriste:- biomasu!- bioplin!- sunčevu (solarnu) energiju!- geotermalnu energiju!- vjetar!- vode!
✤ sva ova postrojenja koriste obnovljive izvore energije✤ pojedina uključuju neki oblik transformacije toplinske energije✤ nekonvencionalnim postrojenjima mogu se smatrati i ona koja kao
energetski izvor koriste druge izvore energije (npr. komunalni ili industrijski otpad, nekonvencionalnu naftu)!
✤ neki drugi oblici termoenergetskih postrojenja se također smatraju nekonvencionalnim: MHD generatori, gorive ćelije, termoelektrični generatori
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Energetska postrojenja na biomasu
Biorazgradivi dio proizvoda, otpada i ostataka u poljoprivredi (uključujući biljne i životinjske sastojke), šumskoj i srodnim industrijama kao i biorazgradivi dio industrijskoga i kućanskoga komunalnoga otpada.
✤ kruta biomasa:- drvna (šumska) biomasa;- otpadna biomasa (drvna industija);- zeleni otpad (uređivanje površina);
✤ tekuća biomasa:!- tekuća biogoriva (biodiesel, bioetanol)
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Tehnologije korištenja biomase u TE postrojenjima
✤ izgaranje krute biomase u ložištima TE postrojenja- samostalno- suizgaranje s fosilnim gorivima
✤ izgaranje bioplina u kotlovima, plinskim motorima i turbinama✤ izgaranje plina nastalog rasplinjavanjem krute biomase✤ izgaranje biodiesela u motorima i plinskim turbinama✤ izgaranje biodiesela u ložištima
- samostalno- suizgaranje s fosilnim gorivima
Legenda:1 - izgaranje u stabilnome sloju 4 - izgaranje u cirkulirajućem fluidiziranome sloju2 - izgaranje u mjehurastom fluidiziranome sloju 5 - izgaranje u letu3 - izgaranje u tlačnom fluidiziranome sloju
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Tehnologije korištenja krute biomase u TE postrojenjima
✤ Biomasa se po sastavu sastoji od celuloze, hemiceluloze i lignina✤ Izgaranje drvne biomase je složeni proces (sušenje, piroliza/uplinjavanje,
izgaranje krutog ugljika i oksidacija volatila - plinova✤ U pravilu izgaranje se vodi stupnjevano - primarni i sekundarni (ponekad i
tercijarni) zrak da bi se postiglo što potpunije izgaranje
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
INICIJALNO ZAGRIJAVANJE
OTPUŠTANJE VOLATILA
IZGARANJE KOKSNOG OSTATKA
ZRAK ZA IZGARANJE
ČESTICA GORIVA
CxHyOzNwSq
PRODUKTI IZGARANJA
CO O2
N2, O2
CxHyOzNwSq + O2 CO + CO2 + H2O + SO2 + N2
CO + O2 CO2
PLINOVITA FAZA
TOPLINA
TOPLINA
TOPLINA
Model izgaranja čestice drvne biomase
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Prednosti i nedostaci drvne biomase u odnosu na ugljen
✤ Visok udio vlage✤ Složena struktura, nejednolik kemijski sastav✤ Problem dobave i transporta✤ Problem usitnjavanja (izgaranje u letu)✤ Viši udio dušika✤ Niža ogrjevna vrijednost
✤ Obnovljivi izvor✤ Široko dostupna✤ Smanjena emisija CO2
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Bioetanol i biodizel• Etanol (alkoholno gorivo) • Sirovina: (šećerna trska, melasa, kukuruz, drvo, poljoprivredni
ostaci)• Postupak proizvodnje:
1) Hidroliza škroba (enzimi), u šećer 2) Fermentacija šećera (kvasac), u etanol (do 10%)3) Destilacija etanola do (95%)
• Za proizvodnju metanola mogu se koristiti sirovine s visokim udjelom celuloze kao što je drvo i neki ostaci iz poljoprivrede. Sirovina se najprije konvertira u plinoviti međuproizvod iz kojeg se sintetizira metanol.
• Etanol i metanol se mogu koristiti u motorima s unutarnjim izgaranjem uz dodatak benzina ili kao potpuna zamjena (zahtjeva modifikacije na motoru)
• Biodizel (Metil-ester) - Standardizirano je tekuće nemineralnogorivo, neotrovan, biorazgradivi nadomjestak za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili životinjske masti procesom esterifikacije, pri čemu kao sporedni proizvod nastaje glicerol (glicerin).
• Svojstva slična motornim gorivima (miješanje ili uporaba u čistom obliku):
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJAa1
Prednosti biodizela• Bolja mazivost - značajno produžava radni vijek motora,• Smanjenje onečišćenja okoliša (CO2 emisija),• Ne sadrži sumpor ni teške metale, • Moguća proizvodnja u kućnoj radinosti, • Viši cetanski broj – lakša zapaljivost,• Neopasan za okoliš, jer se dospjevši u tlo razgradi nakon 28 dana,
(Jedna litra nafte zagadi gotovo milijun litara vode)
• Veći udio dušika,• Iziskuje preinake na motoru.
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
✤ Bioplin nastaje iz biomase pogodne za anaerobnu digestiju (AD) ili razgradnju organske tvari bez prisutnosti zraka i predstavlja obnovljivi energent.
AD je biokemijski proces u kojem se kompleksni organski spojevirazgrađuju djelovanjem različitih vrsta bakterija u anaerobnimuvjetima (bez prisustva zraka).✤ Prikladna sirovina (supstrat) za AD su organske tvari:
- stajsko gnojivo, gnojnica- otpad i nusproizvodi iz prehrambene industrije: klaonički
otpad, sirutka, masti s hvatača masti, stari kruh, itd.- ostaci pri pripremi i konzumiranju hrane u restoranima- energetski usjevi- organski dio komunalnog otpada- otpadni mulj
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Bioplin
✤ Svojstva i sastav bioplina ovise o tipu supstrata, načinu proizvodnje (vrsti postrojenja), temperaturi na kojoj se odvijao proces, trajanju retencije (zadržavanja), volumenu digestora i ostalim čimbenicima.
✤ Prosječna toplinska vrijednost bioplina je oko 21 MJ/mm3,
prosječna gustoća iznosi 1,22 kg/Nm3 (s 50% udjela metana). ✤ Prosječan sastav bioplina je:
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
„Plava energija” – Energija morske vode
Korištenjem polupropusnih membrana između slane i slatke vode. • Metoda osmoze – PRO metoda (engl. Pressure Retarded Osmosis) • Metoda povratne elektrodijalize – RED metoda (engl. Reversed Electrodialysis)
Statkraft – Prototip PRO elektrane Norveška, 2009.
RedStack – Prototip RED elektrane Nizozemska, 2014.
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Energija valova
Obnovljivi izvor – Djelovanje vjetra na morsku površinu.Iskoristivost ovisi o lokaciji:– Učestalost i energija valova: Mediteran 3 kW/m, Sjeverni Atlantik 90 kW/m; – Energija valova veća na otvorenom moru -> skuplja izgradnja + problem prijenosa
el. Enegije;
Elektrana na valove Islay LIMPET , ŠkotskaSnage 500 kW
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Energija plime i oseke• Plima i oseka su posljedica djelovanja Sunca i Mjeseca;• Potencijal ovisi o lokaciji;• Srednja amplituda plime na oceanskim širinama manja je od 1 m, a
energetsko iskorištavanje plime i oseke ekonomski je opravdano ako je amplituda veća od 2 m;
• Brane s dvosmjernim propuštanjem vode (turbine kroz koje voda može strujati kako u jednom tako i u drugom, suprotnom smjeru) –tehnologija slična konvencionalnim hidroelektranama;
• Prednost ovakvih elektrana je jeftina, čista i obnovljiva energija. • Glavni nedostaci su veliki troškovi izgradnje, malo pogodnih
lokacija za izgradnju, velik utjecaj na okoliš.• Veliki kapitalni troškovi s dugim vremenom izgradnje do 10
godina čine ju komercijalno neatraktivnom.
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Osnovni principi rada sustava s MHD generatorom• Direktna pretvorba toplinske energije plina u električnu
djelovanjem magnetskoga polja na strujni tok ionizirana plina (plazme) pod visokim temperaturama (2500-3000 0C);
• Teoretski je proces sličan Joule/Brayton-ovom procesu u plinskoj turbini. Stlačeni ionizirani plin (plazma) adijabatski ekspandira kroz MHD kanal (difuzor) gdje se usporava djelovanjem elektromagnetske sile (kod plinske turbine se unutar lopatica kinetička energija plina pretvara u mehaničku);
• Nema pokretnih dijelova;• Teoretska iskoristivost procesa proizvodnje električne energije je
oko 50 %;• Zbog visoke izlazne temperature plinova potrebna je rekuperacija
toplinske energije (kogeneracija ili kombinirani proces s parnim ciklusom), čime se dodatno povećava ukupna energetska iskoristivost;
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Princip energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim generatorom (MHD)
Shema energetskoga sustava s magnetohidrodinamskim generatorom (MHD)
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Tehnički problemi MHD generatora• Vrlo visoke radne temperature, te uslijed toga problem tehničko -
komercijalne izvedivosti;• MHD generator proizvodi istosmjernu struju pa je potreban
pretvarač (invertor), što povećava složenost i troškove;• Za postizanje visokih temperatura izgaranja potreban je kisik ili zrak
obogaćen s kisikom; potreban je sustav za proizvodnju kisika;• Potrebno je koristiti materijal za pospješivanje ionizacije plina (soli
alkalnih metala cezija, kalija ili natrija) što povećava pogonske troškove;
• Potrebno je magnetsko polje vrlo visoke gustoće koje ima velike gubitke s konvencionalnom izvedbom magneta. Rješenje je u razvoju super-provodljiva magneta pri visokim temperaturama, što je tehnički problem koji je još u fazi razvoja;
• Zbog navedenih problema, ovaj energetski sustav je još u fazi razvoja i nije u komercijalnoj primjeni.
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
SUSTAV S GORIVIM ĆELIJAMA
Gorive ćelije: transformacija kemijske energije goriva (plina) uz oksidacijsko sredstvo u električnu i toplinsku energiju elektrokemijskom reakcijom bez klasična izgaranja.
Energetski sustav s gorivim ćelijama se u principu sastoji od: sustava za dobivanja vodika iz prirodna plina pomoću vodene pare i
topline, što se odvija prema jednadžbiCH4 + 2H2O + toplina → CO2 + 4H2
sklopa odgovarajućeg broja gorivih ćelija uređaja za pretvaranje istosmjerne u izmjeničnu struju (inverter) sustava za rekuperaciju toplinske energije (proizvodnju tople vode i
vodene pare).
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Podjela gorivih ćelija prema radnoj temperaturi i vrsti elektrolita:niskotemperaturne (oko 200 0C);srednjotemperaturne (500-700 0C);visokotemperaturne (oko 1000 0C).
VRSTA ELEKTROLITA
RADNA TEMP. (0C)
Kruti polimer 80Lužina 100Fosforna kiselina 200Tekući karbonat 650Kruti oksid 1000
Vrste elektrolita za gorive ćelije
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Prednosti gorivih ćelija: vrlo visoka iskoristivost energije goriva;
40% u električnome dijelu, 25-45% u toplinskome dijelu, ukupno 65-85%;
nema pokretnih (rotirajućih) dijelova; zanemarivo onečišćenje okoliša; zanemariva buka.
Nedostaci gorivih ćelija: visoka cijena po jedinici instalirane snage; tehnička izvedivost za relativno male snage (do 500 kW); tehničko-tehnološka neusavršenost (još u fazi razvoja).
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
• Spajanje manjih jezgri u veću• Fuzija u središtu Sunca i zvijezda:
Temperatura u centru Sunca oko 16 miliona °CDovoljno kinetičke energije da približi protone (nadvlada odbojnu elektrostatsku silu) za nastanak deuterija (D) i onda helija (He)
FuzijaNEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
• Jezgra helija (He) je lakša od sume 4 protona!• Razlika masa: 4,029 – 4,0015 = 0,0276 a.m.u. (engl. atomic mass unit)
- 0,7% mase transformira se u energiju prema E=mc2
- Razlika iznosi 4,58∙10-29 kg (1 a.m.u. je 1,6605∙10-27 kg) - Pomnoženo s c2 daje 4,12∙10-12 J- 1 mol (6,022∙1023 čestica) → 2,5∙1012 J/mol- Tipična kemijska reakcija daje 100–200 kJ/mol- Nuklearna fuzija daje ~20 miliona puta više energije!- približno 630 GJ/g- 46 kJ/g za benzin.
Bilanca fuzijeNEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
• Prvi kandidat za fuzijske uređaje je D-T reakcija• Potrebno je postići i održavati temperaturu od desetak
miliona kelvina• Problem održavanja plazme – elektromagnetsko
ograničavanje• Problem materijala (visoke temperature i veliki fluks brzih
neutrona)• Komercijalna primjena nije moguća prije sredine stoljeća a
i onda će biti ograničena na uski krug zemalja
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
Najčešće se spominje reakcija deuterija (D) i tricija (T) kao fuzijska reakcija koju je najlakše ostvariti na Zemlji:
D + T He4 + n + (17,6 MeV) 1MeV = 1,6∙10-13 JProblemi:Otpušteni neutron se lako veže na druge jezgre (npr. stjenke reaktora) i time stvara radioaktivne izotope. Tricij, za razliku od deuterija nije dostupan u prirodi, radioaktivan je s kratkim vremenom poluraspada (t1/2=12,3 god.) Oba problema se djelomično mogu riješiti koristeći otpušteni neutron u reakciji s litijem (Li):
Li6 + n T + He4 + (4,8 MeV)Ostale moguće reakcije:
D + D He3 + n + (3,2 MeV)D + D T + H + (4,03 MeV)D + He3 He4 + H + (18,3 MeV)
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
• Praktično neiscrpan izvor jeftine energije (velike rezerve D i Li)
• Nema emisije stakleničkih plinova
• Smanjena proizvodnja radioaktivnog otpada u odnosu na fisiju
• Povoljna sigurnosna svojstva (nema rizika od nekontrolirane reakcije)
Razlozi za razvoj fuzije
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA
• Temperatura u području od 107 - 108 K!• Na temperaturi 104-105 K, materija je u stanju plazme (ionizirani
globalno neutralni plin).• Stvaranje, održavanje i ograničavanje plazme na visokim
temperaturama:– ograničavanje magnetskim poljem;– grijanje radio-valovima visokih frekvencija te ubacivanjem snopova neutralnih čestice velike energije. ITER-International Thermonuclear Experimantal Reactor -Internacionalni projekt (EU, Indija, Rusija, Kina, J. Korea, Japan i SAD) grade najveći nuklearni fuzijski reaktor u svijetu tipa TOKAMAK, snage 500 MWe.Wendelstein 7-X, Max-Planck Institut za fiziku plazme (IPP), Njemačka. Fuzijski reaktor tipa Stellarator dovršen 2015.g.
Uvjeti za izvedbu fuzijskog reaktora
NEKONVENCIONALNA ENERGETSKA POSTROJENJA