82
1/82 Malé teplárenské zdroje mikrokogenerace spalovací pístové motory plynové mikroturbíny ORC cyklus palivové články Stirlingův motor

Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

1/82

Malé teplárenské zdroje

mikrokogenerace

spalovací pístové motory

plynové mikroturbíny

ORC cyklus

palivové články

Stirlingův motor

Page 2: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

2/82

Teplárenské zdroje

velké centralizované zdroje energie

uhlí, jádro

provoz v základním zatížení

ekonomika velkých zařízení

Page 3: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

3/82

Teplárenské zdroje

decentralizované

eliminace přenosových ztrát

pružná záloha, snadná a rychlá regulace – nezávislost spotřebitelů na dodávce energie z veřejné sítě

za předpokladu využití tepla – vyšší využití paliv, teplárenská výroba

malé výkony, technologický vývoj, v minulosti špatná ekonomika

malá kogenerace

do 1,5 MWe

mikrokogenerace

do 50 kWe

Page 4: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

4/82

Malé teplárenské zdroje

Page 5: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

5/82

Kogenerace v decentrálních zdrojích

řízení podle dodávky tepla

regulace jednotky podle potřeby tepla objektu (podle venkovní teploty, profilu užívání)

produkce elektrické energie jako vedlejší produkt

řízení podle požadavku dispečinku el. soustavy

krytí špičkového zatížení dané lokality

v kombinaci s akumulací tepla

Page 6: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

6/82

Spalovací pístové motory

pístové motory

vycházejí z automobilových motorů:

vznětové (kapalné palivo) – účinnost až 45 % (vysokotlaké)

plynové – účinnost okolo 40 %, spalování chudé směsi, přebytek spalovacího vzduchu 2, nízké emise

mechanická práce využita pro pohon generátoru – výroba el. energie

odpadní teplo využito pro teplárenské účely

požadavek na životnost a provozní spolehlivost – nízkootáčkové stroje, masivní, stacionární

pro spalovací motory se vžil název „ kogenerační jednotky“

Page 7: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

7/82

Spalovací pístové motory

palivo

zemní plyn

bioplyn (ČOV, zemědělská výroba)

skládkový plyn

kapalná paliva (horské oblasti)

požadavek na ušlechtilé palivo:

čištění bioplynu (od síry)

dřevoplynu (od pevných částic)

Page 8: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

8/82

Spalovací pístové motory

Page 9: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

9/82

Spalovací pístové motory

využití odpadního tepla

chlazení mazacího oleje: výměník olej/voda

chlazení bloku motoru: výměník voda/voda

chlazení výfukových plynů (až 450 °C): výměník spaliny/voda: 50 % výkonu

Page 10: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

10/82

Spalovací pístové motory

Page 11: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

11/82

Spalovací pístové motory

malé jednotky

2 až 4 válcové provedení, kontejnerové jednotky

asynchronní generátory, paralelní provoz se sítí

dvojstupňový provoz (on/off), automatický start a zastavení

velké jednotky

12 až 18 válců, samostatně odhlučněné prostory

synchronní generátory, 4 pólové (1500 ot/min), 6 pólové (1000 ot/min)

paralelně nebo nezávisle na síti

řízení provozu dle zatížení

Page 12: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

12/82

Spalovací pístové motory

soustrojí kogenerační jednotky

generátor, el. rozvaděč

akumulátorové baterie – startování motoru

výfuk spalin – tlumič výfuku, snížení rychlosti proudění spalin

Page 13: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

13/82

Spalovací motory – parametry

výkon

výkony od x0 kW do x MW

Page 14: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

14/82

Spalovací pístové motory

výkon

elektrický výkon svázaný s tepelným výkonem

chladicí věže, nouzové chladiče (výměníky) pro přebytečný tepelný výkon

větší rozsah než u PT, účinnost dramaticky neklesá

Page 15: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

15/82

Spalovací pístové motory

technické parametry

pro zdroje v menších soustavách CZT

provozní teploty do 150 °C (teplovody, výjimečně parovody) –vytápění, ohřev vody (90 / 70 °C)

možnost častých, opakovaných a rychlých startů a odstávek

větší rozsah regulace výkonu

větší než u plynové turbíny bez významného snížení účinnosti

využití pro vykrývání denních diagramů zatížení místních odběrů el. energie x vykrývání odběrů tepla

Page 16: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

16/82

Spalovací motory – dimenzování

roční diagram dodávky tepla

kontinuální dodávka tepla – dimenzování na odběr v letním obdobíkogenerační jednotka jako výkonově doplňkový zdroj

Page 17: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

17/82

Spalovací motory – dimenzování

špičková výroba elektrické energie (16, 12, 8 hodin)řízení dodávek do el. sítědimenzování na větší odběr, využití akumulace

Page 18: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

18/82

Spalovací motory – dimenzování

denní diagram dodávky tepla

využití akumulacev době chodu motorů se nabíjí přebytkem tepelného výkonuv době odstávky se naakumulované teplo využívá ke krytí potřeb odběrů

Page 19: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

19/82

Spalovací motory – schéma

Page 20: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

20/82

Spalovací pístové motory

provozní ukazatele

Page 21: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

21/82

Spalovací pístové motory

výhody

možnost rychlého najetí a odstávky

vysoké účinnosti i u výkonově menších jednotek

modulové uspořádání

jednoduchá instalace

malé prostorové nároky

Page 22: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

22/82

Spalovací pístové motory

nevýhody

spalování pouze ušlechtilých paliv

vysoká hlučnost a vibrace

pružné uložení na základ

kontejnerové odhlučněné provedení, zvuková izolace strojovny

tlumiče hluku ve výfukovém potrubí, v přívodu větracího vzduchu do strojovny

častý servis – opotřebení mechanických součástí

spotřeba mazacích olejů, vzduchové filtry, svíčky - výměna

Page 23: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

23/82

Spalovací pístové motory

využití

okrskové, nebo areálové plynové kotelny

energocentra obchodních, nemocničních, plaveckých, sportovních a administrativních komplexů, průmyslové podniky

vysoká a rovnoměrná potřeba tepla, vysoká potřeba elektrické energie, potřeba na chlazení

školská zařízení x letní provoz

čistírny odpadních vod, skládky komunálních odpadů, bioplynové stanice

kalový plyn, bioplyn

potřeba tepla a elektřiny pro provoz ČOV a bioplynové stanice

Page 24: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

24/82

Plynové mikroturbíny

plynová turbína

vysoko-otáčkové soustrojí, 100 000 otáček/min

jednostupňový radiální vzduchový kompresor - jednostupňová radiální turbína - generátor elektrického proudu na společné hřídeli

výkony x0 kW až x00 kW, teplárenský modul 0,5 až 0,7

tepelný výměník ve spalinách - odpadní teplo využito pro teplárenské účely (200 až 300 °C), pro předehřev spalovacího vzduchu (rekuperace)

palivo

zemní plyn, bioplyn

tlak min. 0,4 až 0,8 MPa, > STL (0,4 MPa): nestačí – plynový kompresor

Page 25: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

25/82

Plynové mikroturbíny

rekuperace

Page 26: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

26/82

Plynové mikroturbíny

Page 27: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

27/82

Plynové mikroturbíny

Page 28: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

28/82

Plynové mikroturbíny

oproti klasickým plynovým turbínám

vysokofrekvenční generátor, vysoké otáčky, není nutná převodovka

vysoké otáčky, snadnější odhlučnění

vzduchová ložiska, bez mazání, bezolejové hospodářství

minimální údržba

servis

vzduchový filtr, zapalování, trysky

generální oprava 60 000 PH

výrazně nižší provozní náklady než u spalovacích motorů

Page 29: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

29/82

Plynové mikroturbíny

Page 30: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

30/82

Plynové mikroturbíny

Page 31: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

31/82

Plynové mikroturbíny

výkonové parametry

výkony od x0 kW do x00 kW

účinnost 20 až 30 %

teplárenský modul zpravidla 0,5 až 0,7

Page 32: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

32/82

Plynové mikroturbíny

výhody

možnost rychlého najetí a odstávky (desítky sekund)

kompaktní provedení

nízká hmotnost

vysoká provozní spolehlivost – jediná točící se součást, vzduchová ložiska, bez potřeby mazacího oleje

provoz při částečném výkonu - dobrá regulace do 50% zatížení

nízké emise, 10 x nižší emise NOx než u spalovacích motorů

nízké provozní náklady

Page 33: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

33/82

Plynové mikroturbíny

nevýhody

nízká účinnost výroby elektrické energie 20 až 30 % – přídavná práce na kompresor

nízká celková účinnost – rekuperace tepla pro ohřev vzduchu

při výkonech pod 50 % rapidně klesá účinnost

cena

Page 34: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

34/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

parní cyklus

modifikace Rankin-Clausiova oběhu

liší se pracovní látkou pro turbínu – organické (uhlovodíkové) sloučeniny – odpaření při nízkých teplotách / tlacích

poskytují vyšší účinnost cyklu pro jednoduchou jednostupňovou turbínu

silikonový olej, alkany, freony, pentan, propan, toluen, čpavek –nekorozivní, neagresivní, bez úpravy, hořlavé látky

využití tepla pro vytápění, ohřev vody (nízké teploty)

palivo

palivo s nízkou výhřevností: biomasa

geotermální energie, sluneční energie, odpadní teplo (!)

Page 35: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

35/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

bez rekuperátoru

T

sexpanze do oblasti přehřáté páry – rekuperace tepla !

Page 36: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

36/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

s rekuperátorem

T

s

Page 37: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

37/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

Page 38: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

38/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

K

ekonomizér výparníky

Page 39: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

39/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

ORC soustrojí

olejová strojovna

kotel

Page 40: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

40/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

Page 41: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

41/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

účinnost závisí na

teplotě termooleje

teplotě chladicí vody

účinnosti rekuperace

termodynamické účinnosti turbíny

komerční jednotky 200 až 1500 kWe

16 až 18 % při 300/250 °C (olej) a 60/80 °C (voda)

Page 42: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

42/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

Page 43: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

43/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

30 až 65 kWe

190 až 240 °C

dvojitý šroubový expandér

Page 44: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

44/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

10 kWe 50 kWe

Page 45: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

45/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

výhody

využití při nízkých teplotách primárního zdroje

jednoduchá konstrukce turbíny, vysoká účinnost turbíny i při nízkých výkonech (zatížení)

dobrá regulace soustrojí v celém výkonovém rozsahu

vysoká životnost

nízké otáčky, nízké mechanické namáhání turbíny

nízké teploty a tlaky, běžné konstrukční materiály

odpadá chemická úprava pracovních látek

nízké provozní náklady

Page 46: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

46/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

nevýhody

nároky na těsnost

cena

Page 47: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

47/82

Organický Rankinův cyklus (ORC)

využití

produkce el. energie z nízkopotenciální energie:

odpadní teplo – technologické procesy

obnovitelné zdroje tepla – geotermální, biomasa, sluneční energie, apod.

Page 48: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

48/82

Palivové články

přímá přeměna chemické energie látek na elektrickou

„podobně jako baterie“ ... ALE ...

látky nejsou součástí anody/katody – průběžně přiváděné jako palivo

elektrody jsou pouze katalyzátorem chemických přeměn

bez limitu Carnotova cyklu pro termodynamické oběhy

Page 49: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

49/82

Palivové články

kyslíko-vodíkový článek

anoda – elektrolyt – katoda (+ katalyzátor)

anoda

přívod paliva (vodík)

atomy vodíku za přispění katalyzátoru ztrácejí elektrony

elektrony putují vnějším obvodem ke katodě – elektrický proud

katoda

přívod okysličovadla (kyslík)

redukce, atomy okysličovadla přijímají volné elektrony a reagují s kladnými ionty vodíku procházejícími elektrolytem

elektrolyt - kyseliny, zásady, keramiky, membrány – různé typy PČ

Page 50: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

50/82

Palivové články

Page 51: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

51/82

Palivové články

vodíkvzduch

vzduchvoda

elektrolyt

Page 52: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

52/82

Palivové články

Page 53: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

53/82

Palivové články

palivo

vodík

paliva bohatá na vodík: metan, zemní plyn, bioplyn, metanol

úprava paliva – reforming

nízký obsah síry

okysličovadlo

kyslík – produkce vodní páry, CO2 (v případě uhlíkatých paliv)

vzduch – produkce NOx

Page 54: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

54/82

Palivové články - druhy

s alkalickým elektrolytem AFC (Alcaline FC)

vodný roztok alkalického hydroxidu (NaOH, KOH)

vodík + kyslík

katalyzátor – platina, nikl, stříbro

citlivé na CO2

provozní teplota 60 až 90 °C

účinnost: 45 až 70 %

výkon: do 20 kW

využití: vojenské aplikace, kosmický výzkum

Page 55: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

55/82

Palivové články - druhy

s polymerní membránou PEMFC (Proton-Exchange-Membrane)

polymerní (iontoměničová) membrána místo elektrolytu, vodivá pro vodíkové kationty (protony) – nevodivá pro elektrony, hydratovaná (vodivost), sulfonované fluoropolymery

vodík, metanol + kyslík, vzduch

katalyzátor platina

necitlivé na CO2

nízká pracovní teplota do 90 °C (kvůli hydrataci), rychlý náběh

účinnost: 40 až 45 %

výkon: do 250 kW

využití: mobilní aplikace

Page 56: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

56/82

Palivové články - druhy

s kyselinou fosforečnou PAFC (Phosphoric Acid FC)

elektrolytem je kyselina fosforečná H3PO4 v matrici z PTFE nebo karbidu křemíku SiC

vodík z parního reformingu fosilních paliv + vzduch

katalyzátor platina

pracovní teploty 150 až 220 °C

účinnost: 35 až 45 %, celková účinnost 85 %

výkon: 50 až stovky kW

využití: kogenerační jednotky, stacionární generátory

Page 57: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

57/82

Palivové články - druhy

100 kW PAFC

Page 58: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

58/82

Palivové články - druhy

s tavenými uhličitany MCFC (Molten Carbonate FC)

elektrolytem je tavenina směsi alkalických uhličitanů (Li, Na, K –vodivé soli) v matrici LiAlO2

vnitřní parní reforming přímo v článku: vodík, CO + vzduch

bez drahých katalyzátorů, neplatinové

pracovní teploty 600 až 700 °C

účinnost: 45 až 60 %

výkon: do několika MW

využití: kogenerační jednotky

Page 59: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

59/82

Palivové články - druhy

300 kW MCFC

Page 60: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

60/82

Palivové články - druhy

s pevným elektrolytem SOFC (Solid Oxide)

elektrolytem je iontově vodivá keramická membrána ZrO2

vnitřní reforming přímo v článku: zemní plyn, bioplyn, vodík + CO +vzduch

bez drahých katalyzátorů

pracovní teploty 800 až 1000 °C pro zajištění iontové vodivosti membrány

účinnost: 40 až 65 %

výkon: do několika MW

využití: kogenerační jednotky

Page 61: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

61/82

Palivové články SOFC

Page 62: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

62/82

Palivové články SOFC

1 – palivový článek

2 – parní generátor, hořák, výměníky

3 – vysokoteplotní izolace

500 až 2000 W !

Page 63: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

63/82

Palivové články SOFC

Page 64: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

64/82

Palivové články - druhy

Page 65: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

65/82

Palivové články

výhody

nízké opotřebení

vysoká životnost (desetitisíce hodin)

nepřítomnost pohyblivých částí

tichý chod

spolehlivost

Page 66: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

66/82

Palivové články

nevýhody

pomalý náběh

měly by pracovat v trvalém provozu

odstraňování zplodin chemických reakcí: voda, jiné produkty oxidace

udržování optimální teploty

cena – elektrody, pomocná zařízení

Page 67: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

67/82

Stirlingův motor

teplovzdušný motor

motor s vnějším spalováním

dva vzájemně propojené zdvihové prostory s rozdílnou teplotou

uzavřený oběh pracovní látky – inertní plyn s vysokou roztažností, např. helium

střídavě se zahřívá / roztahuje objem – ochlazuje se / zmenšuje svůj objem

hnací silou je rozdíl teplotních hladin dvou prostorů (objemů)

dva písty, jeden nebo dva válce – podle modifikace α, β, γ

Page 68: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

68/82

Stirlingův motor - modifikace

αααα ββββ γγγγ

Page 69: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

69/82

Stirlingův motor - princip

princip modifikace ββββ přeháněcí (expanzní) píst – vůle mezi pístem a válcem

pracovní (kompresní) píst – utěsněný

písty jsou spojeny klikovým mechanismem – zpoždění o ¼ otáčky (90°)

setrvačník pomáhá překonat mrtvý bod, zajišťuje plynulý chod motoru

přeháněcí píst pracovní píst

ohřev

chlazení

Page 70: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

70/82

Stirlingův motor - princip

přeháněcí píst přemístí plyn do ohřívané části válce

plyn se ohřívá, zvětšuje svůj objem a tlak

vytlačuje pracovní píst do horní úvrati

roztáčí se setrvačník

přeháněcí píst začíná přesouvat plyn do chlazené části válce

Page 71: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

71/82

Stirlingův motor - princip

přeháněcí píst přemístil plyn do chlazené části válce

plyn se ochlazuje, zmenšuje svůj objem a tlak

pracovní píst je v dolní úvrati

přeháněcí píst začíná plyn přesouvat do ohřívané části válce, kde se znova ohřívá

celý cyklus se opakuje

Page 72: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

72/82

Stirlingův motor - princip

Page 73: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

73/82

Stirlingův motor - princip

modifikace αααα koncepčně nejjednodušší

každý píst ve vlastním válci

regenerátor

potřeba velkého rozdílu teplot

nejpoužívanější modifikace

kompresní válec

expanzní válec

Page 74: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

74/82

Stirlingův motor - princip

modifikace ββββ klasická modifikace patentovaná

R. Stirlingem

oba písty v jednom válci

problém s utěsněním ojnice v pístu

vývoj SM s volným pístem

Page 75: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

75/82

Stirlingův motor - princip

modifikace γγγγ vlastně β ve dvou válcích

ohřívá se část přeháněcího válce

chladí se zbytek přeháněcího válce a pracovní válec

pouze jako modely

Page 76: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

76/82

Stirlingův motor

malé výkony

výkon 1 kWe / 6 kWt

dodatkový zdroj – kondenzační kotel

celková účinnost 96 %

teplárenský modul 0,17

Stirling s volným pístem bez klikové hřídele

plyn - helium

Page 77: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

77/82

Stirlingův motor

Stirlingův motor s volným

pístem

modifikace β

volný píst na teplé straně (expanzní) bez mechanické vazby na píst pracovní

pohyb je buzen diskovými pružinami (membránami)

lineární generátor poháněn jen pracovním pístem – pružné uložení pístní tyče v diskových pružinách

Page 78: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

78/82

Stirlingův motor

hlava

žebra

regenerátor

převáděcí píst

vodní chladič

pracovní píst

magnety

cívky

lineární el. generátor

Page 79: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

79/82

Stirlingův motor

12 000 EUR = 300 000 CZK (bez montáže)

Page 80: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

80/82

Stirlingův motor v kotli na pelety

Page 81: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

81/82

Stirlingův motor

výhody

dokáže využít jakýkoli zdroj tepla, paliva nevhodná pro pístové motory a spalovací turbíny

s regenerátorem účinnost až 40 % (naftové motory)

tichý chod

vysoká životnost a spolehlivost

bez ventilů

Page 82: Malé teplárenské zdroje mikrokogeneraceusers.fs.cvut.cz/tomas.matuska/wordpress/wp... · Organický Rankinův cyklus (ORC) výhody využití při nízkých teplotách primárního

82/82

Stirlingův motor

nevýhody

vysoká teplota ohříváku, vysoký tlak plynu – desítky MPa

malý výkon vztažený ke hmotnosti

problémy s těsností motoru

obtížná regulace výkonu

cena