Koostootmine 2

1. Koostootmine 2 Villu Vares TTÜ Soojustehnika instituut

2. Gaasiturbiiniga koostootmise jaam • Lihtsa ja suhteliselt odava koostootmisjaama saame kasutades gaasiturbiini ja utiliseerides temast väljuvate gaaside soojuse veesoojendus- või aurukatlas. • Nende turbiinide elektriline võimsus võib olla 250..500 kW kuni 50…200 MW. Gaasiturbiinist lahkuvate gaaside temperatuur on piirides 400…600 °C. Gaaside soojust saab kasutada auru, kuuma vee, kuuma õhu, kuuma õli jne. tootmiseks.

3. Gaasiturbiinide baasil koostootmise eelised • seadmete suhteliselt madal maksumus, väikesed hoolduskulud; • lühike projekteerimise ja paigaldamise aeg; • seadmete väike kaal ja gabariidid; • võimalus toota kõrgetemperatuurilist soojust (kuni 550 °C); • võimalus täiendava kütuse põletamisega suurendada soojusvõimsust.

4. Gaasiturbiinide baasil koostootmise puudused • piiratud kasutatavate kütuste nomenklatuur: gaasilised kütused ja kõrgekvali­teediline vedelkütus; • maagaasi kasutamisel peab kasutama linnavõrgu rõhust suurema rõhuga gaasi (10…15 baari); • ekspluateerimiseks on vaja kvalifitseeritud personali.

5. Elektrienergia ja soojuse koostootmiseks kasutatakse kuni mõnekümne megavatilise elektrilise võimsusega ja lihtsa konstruktsiooniga gaasiturbiine. Põlemiskambrist gaasi­turbiini sisenevate gaaside temperatuur on 750…900 °C, ei kasutata töölabade ja düüside jm. keerukat jahutust. Gaasiturbiinist väljuvad gaasid sisaldavad kuni 15% hapnikku. See annab võimaluse põletada soojuskoormuse suurenemisel utilisatsioonikatlas täiendavalt kütust. Soojuskoormuse puudumisel saab seadet kasutada elektrilise tippkoormuse katmiseks, juhtides gaasiturbiini järel suitsugaasid atmosfääri.

6. Vee/auru sissepritsimine Vee või veeauru sissepritsimine on sageli kasutatav tehnika gaasiturbiinis lisa elektrilise võimsuse saavutamiseks. See saavutatakse gaasiturbiini läbiva massikulu suurenemisega. Samal ajal on see NOx moodustumise vähendamise efektiivne abinõu, kuna vähendab leegi temperatuuri. Vajalik vee või auru kogus sõltub sellest, kui palju on vaja juurde saada lisavõimsust või millist NOx taset on vaja saavutada. Maagaasi põletamisel kasutatakse vesi/kütus suhet 0.5:1 kuni 1:1.

7. Vee sissepritsimine põlemiskambrisse tõstab gaasiturbiini võimsust, kuid samaaegselt väheneb kasutegur. Kui sissepritse toimub vilets vee pihustamine, siis võivad ilmneda järgmised negatiivsed ilmingud: • Põlemiskambri eluiga lühendav lokaalne ülejahutamine; • CO ja mittepõlenud süsivesikuid suurendav ebastabiilne põlemine; • Veepiiskade väljakandumine põlemiskambrist, mis võib füüsiliselt vigastada turbiini labasid.

8. Gaasiturbiinide hinnad ja kasutegur sõltuvana võimsusest 1999-2000

9. Kombineeritud auru-gaasitsükliga seade

10. Kasuteguri tõus CCGT-s saavutatakse: • Gaasiturbiintsükli ehitamisega aurutsükli peale. • Lahkuvate gaaside suhtelise koguse vähenemisega. • Kombineeritud auru- gaasitsükli kasutegur:

11. Gaasiturbiini kasutegurit saab tõsta gaasiturbiini sisenevate gaaside temperatuuri tõstmi­sega. Ilma gaasiturbiini labade jahutust kasutamata võib gaaside temperatuur olla kuni 850-900 °C. Põlemiskambri ja gaasiturbiini düüside ning labade õhujahutusel kuni 1400 °C. General Electric uus gaasiturbiin MS 9001 H omab gaasiturbiini sisenevate gaaside temperatuuri 1430 °C ja kombineeritud tsükli elektriline netokasutegur on üle 60%.

12. Kombineeritud tsükkel on äärmiselt paindlik. Võimalik on ka töötamine ainult gaasi­turbiiniga, juhtides temast väljuvad gaasid otse korstnasse. Aurutsükli võimalik skeem võib olla lihtne üherõhuline aurutsükkel või kompleksne kolmerõhuline vaheülekuumen­dusega aurutsükkel. Lõplik variandi valik sõltub tehnilis- majanduslikest teguritest, põhili­selt kütuse hinnast ja omadustest. Kütusena saab kasutada kõiki gaasiturbiinile lubatud kütuseid.

13. Kombineeritud tsükliga jaamade võtmed kätte maksumus ja kasutegur 1999-2000

14. Hinna sees on: • Gaasturbiinid. Asetsevad vabas õhus või terasest viilhallis. Standardsed käivitus- ja kontrollseadmed. Enamikel juhtudel kasutatakse madala NOx põleteid. On arvestatud ainult ühe kütuse kasutamisega (maagaas). Standardne siseneva õhu puhastus. • Auruturbiin. Kondensatsioonturbiin. Kahe- või kolmerõhuline, mõnedel seadmetel ka auru vaheülekuumendus Auruturbiinid on kas aksiaalse või radiaalse auru väljalaskega. Vesi­jahutusega kondensaator. Veepuhastus ja pumbad. • Utilisatsioonikatel. Asetseb vabas õhus. Puudub täiendava kütuse põletamise võimalus. Puudub baipass korstnasse. Vastavalt auruturbiinile on ka utilisatsioonikatel mitme­rõhuline ja omab vaheülekuumendit. Väikesekaaluline korsten. • Elektrigeneraator. Väiksemad õhu-, suuremad vesinikjahutusega. Pinget tõstev trafo. • Vundament. Kas plaatvundament või on seadmete all eraldi vundamendid. • Osutatavad teenused. Inseneritööd, projekti juhtimine, hooldus- ja käivitusinstruktsioonid.Montaaž ja allvõtutööd. Minimaalne transport seadmeid hankival maal. • Hinna sees pole: infrastruktuuri. Pole elektrialajaama, gaasivõrku. Puuduvad seadmed teise kütuse (vedelkütuse) kasutamiseks. Ei ole ladu, töökoda, kontorihoonet. Puudub jahutus­vee majandus. Puuduvad seadmed kaugküttesoojuse väljastamiseks kas auruturbiini vaheltvõttudest või otse utilisatsioonikatlast.

15. Kuni 3000 kWe võimsusega elektrienergiat ja soojust koostootvate seadmete karakteristikud

16. Kütuseelemendid • Kütuseelement on akupatareiga sarnane elektrokeemiline seade, mis genereerib maagaasist või teistest süsivesinikest elektrienergiat. Enamik kütuseelemente tarbib kütusena vesinikku. Vesinikku saab toota maagaasist, või ka elektrienergiat kasutades vee hüdro­lüüsimisel. Viimasel juhul on tegemist energia salvestamisega. • Auru- ja gaasiturbiinides ning sisepõlemismootoris muudetakse kütuse keemilise energia algul soojuseks, siis mehaaniliseks ja lõpuks elektrienergiaks. Kütuseelemendis muutub kütuse keemiline energia suhteliselt madalal temperatuuril otse elektrienergiaks.

17. Kütuseelement koosneb katalüsaatorit (plaatina, nikkel) sisaldavatest poorsetest elek­troodidest, mille vahel on elektrolüüt- ioonmembraan. Väga kõrgel temperatuuril tööta­vatel kütuseelementidel võib katalüsaator ka puududa. • Kütuseelemendil pole liikuvaid osi ja ta võib remondita töötada pikka aega, palju kauem kui turbiin või sisepõlemismootor. Kütuseelemendi kasutegur põhimõtteliselt ei sõltu seadme suurusest. Kombineerides kütuseelementi gaasiturbiiniga on võimalik saavutada üle 70% elektrienergia tootmise kasutegur.

18. Vesiniku põlemisreaktsioonis peavad vesinik ja hapnik kontakteeruma ja vahetama elektrone. Kütuseelemendis on elektronide vahetus eraldatud aatomite kontaktist. Vesinik ja hapnik sisestatakse erinevatele kütuseelemendi elektroodidele. Kahte elementi eraldav elektrolüüt lubab ühte kahest, kas vesiniku või hapniku ioonil läbida elektroodidevaheline vahemik. Reaktsiooniks vajalik elektronide vahetus vesiniku ja hapniku vahel ei toimu mitte läbi elektrolüüdi, vaid välist elektriringi pidi. Tekib alalisvool. Sobiva elektrolüüdi leidmine, mis lubaks liikuda hapniku või vesiniku aatomitel, kuid väldiks elektronide liikumise on üheks võtmeküsimuseks kütuseelementide väljatöötamisel. • Elektrolüütideks kasutatakse: fosforhapet, vedelaid karbonaate, tahkeid oksiide, polümeer­membraane. Vastavalt sellele on erinevad ka kütuseelementide töötemperatuurid 80 °C kuni 900 °C. Vesinik ja hapnik (tavaliselt õhk) juhitakse erinimelistele poorsetele katalüsaatorit sisaldavatele elektroodidele. • Kütuseelemendi elektrienergia tootmise kasu­tegur on 40…60%. Kõrgetemperatuurilistes kütuseelementides toimub maagaasist vesiniku tootmine kütuseelemendis endas.

19. AFC (alkaline fuel cell) – leeliselektrolüüdiga kütuseelement. Elektrolüüdiks on 30% kontsentratsiooniga KOH lahus. Reagentideks on puhas hapnik ja vesinik. Kasutatakse kosmosesõidukites. • PEMFC, ka PEM (polymer electrolyte membranes fuel cell) – polümeer elektrolüüdiga - membraaniga kütuseelement. Elektrolüüdiks on õhuke plaat – polümeermembraan, mis asetseb kahe peenikesi plaatinaosakesi kui katalüsaatorit sisaldavate poorsete grafiit­elektroodide vahel. Elektroodidele juhitase hapnik ja vesinik Maagaas peab eelnevalt reformeris olema muudetud vesinikuks. • PAFC (phosphoric acid fuel cell) – fosforhappe (H3 PO4) elektrolüüdiga kütuse element. Vesinikku toodetakse maagaasist või metanoolist väljaspool kütuseelementi asetsevas reformeris. Oksüdeerijaks on õhk. Praegusel ajal on ta kõige enamarendatud tehnoloogia statsionaarsetes seadmetes kasutamiseks. Euroopas, Ameerika Ühendriikides ja Jaapanis on kasutusel 25 kW - 11 MW demonstratsioonseadmed. Kuni 200 °C töötemperatuuri tõttu on sobiv kasutada elektrienergia ja soojuse koostootmiseks. • MCFC (molten carbonate fuel cell) – sula karbonaat elektrolüüdiga kütuse element. Elektrolüüdiks on eutektiline segu 68% Li2 CO3 ja 32% K2CO3, mis töötemperatuuril 650…700 °C on vedelas olekus. Kütuseks on gaaside H2, CO ja CO2 segu, mis saadakse maagaasi või ka kivisöe gaasi reformimisel. Ei kasutata kallist katalüsaatorit. Kõrge töötemperatuuri tõttu on võimalik kütuseelemendi sisene kütuse reformimine. Seega kasutab kütuseelement osaliselt ka ise vabanevat soojust. • SOFC (solid oxide fuel cell) tahke oksiid elektrolüüdiga kütuse element. Elektrolüüdiks on tahke keraamiline materjal – ütrium oksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid (Y2O3 – ZrO2). Kütuseks kasutatakse H2 ja CO segu, mis saadakse hüdrokarbonaatide kütuse­elemendi välise reformimisega. Kütuseelement on kasutatav suure võimsusega (mitu­kümmend megavatti) energeetilise seadmena. Süsteemist saab kõrgetemperatuurilist jääk­soojust, mida võib kasutada elektrienergia tootmiseks gaasi või aurutsüklis või ka soojus­varustuseks.

20. Vesiniku saamine • Tööstuslikus kasutuses olevate kütuseelementide jaoks on võimalik vesinikku saada maa­gaasist. Seejuures eraldub samapalju CO2- te, kui oleks eraldunud tema põletamisel. Siiski võib kütuseelemendi kasutamisega saavutada väiksema emissiooni, kui maagaasi põleta­misel, sest tarbija vahetus läheduses paiknemise tõttu puuduvad elektrienergia ja soojuse ülekandekaod. Kasutatavad kütuseelemendid on suhteliselt väikese võimsusega. • Teine võimalus on vee hüdrolüüs. Elektrolüütiliselt tasub vesinikku toota ainult odava elektrienergia – tuule-, hüdro-, päikese-, aga ka tuumaenergia abil. Viimasel 25-el aastal on elektrolüüsiks kasutuselevõetud täiesti uued tehnoloogiad. On selge, et elektrienergiaga toodetud vesinik pole kunagi konkurentsivõimeline metaanist toodetava vesinikuga. Kütuseelement annab siin võrreldes teiste meetoditega suhteliselt odava lahenduse energia salvestamiseks (akumuleerimiseks) vesiniku näol. Seega võib kütuseelementide ja elektro­lüüserite kasutuselevõtt nende töökindluse ja hinna alanedes mõjuda positiivselt ka alterna­tiivsetel allikatel baseeruva energia tootmisele.

21. Erinevate kütuseelementide põhilised andmed 1 toimub kütuse, metaani 80%-line kasutus; oksüdeerijaks on õhk (kivisöe gaasil väheneb kasutegur 8-10%) 2 välise maagaasi lagundamisega 3 välisel maagaasi lagundamisel on kütuseelemendi kasutegur 70%

22. Kulude jagamine võimalused koos-toodetud elektrienergia ja soojuse vahel

23. “Füüsikaline” meetod, mis tuleneb termodünaamika esimesele seadusele vastavast energiabilansist. Ta arvestab energia muundamise kvantitatiivset külge. Iga­suguste parameetritega soojus (soe vesi, aur) ja elektrienergia summeeritakse ilma nende kvaliteeti (energeetilist väärtust) arvestamata. Kütuse erikulu turbiini vaheltvõttudest või vasturõhust tulevale soojusele loetakse võrdseks vahetult katlast võetava värske auru soojusega. • Eksergiline meetod, mis arvestab ka termodünaamika teist seadust, mis teatavasti kirjeldab eri energialiikide omadusi (eksergia on parameeter, mis iseloomustab termodünaamilise süsteemi suurimat võimalikku tööd tema siirdudes algolekust väliskeskkonnaga tasakaalu olekusse). • Kombinatsioon kahest eelmisest.

24. Kalorimeetriline ehk füüsikaline meetod • Kalorimeetriline ehk füüsikaline meetodil toimub jagamine vastavalt elektrienergia ja soojuse energiasisaldusele. Sellisel jagamisel läheb kogu koostootmisel saadav kütuse ökonoomia elektrienergiale ja soojus väljastatakse sisuliselt katla kasutegurit arvestades. Sellist metoodikat kasutati kuni 1996. aastani Venemaal ja varematel aastatel ka Eestis. Kütuse erikulu soojuse tootmiseks praktiliselt ei sõltu elektrienergia toodangust soojus­tootmise baasil. Turumajanduse tingimustes kaotab siis koostootmisel toodetud soojus oma eelised lokaalkütte ees. • “Füüsikalise” meetodi puhul arvestatakse nagu oleks väljastatav soojus toodetud mitte koostootmisega, vaid eraldi.

25. Termodünaamiline meetod • Võrdluseks ja elektrienergia hinnaks kasutatakse fiktiivse kondensatsioonelektrijaama elektrienergia hinda. Metoodika on sisuliselt kombinatsioon füüsikalisest ja eksergilisest meetodist. Selline metoodika on eriti põhjendatud siis, kui on vaja vahendeid kontsentreeritud soojuse tootmisel vajalike kulukate soojustorustike rajamiseks. • Sellist metoodikat kasutatakse Taanis, kus koostootmise eeliste – suurema kasuteguri ja väiksema kütuse kulu – jaotamisel erinevate toodanguliikide vahel soovitatakse anda kogu saavutatav kasu soojustarbijale. Eesmärgiks on anda tarbijale võimalus 10…15 aasta jooksul kinni maksta soojuse jaotussüsteem (torustik). Peale seda perioodi võib kasutada teisi jaotusmehhanisme ja osa kasumist anda elektrienergiale. • Taanis kasutatakse metoodikat, kus soojuse hind on energiatootmise kogukulud miinus sama koguse elektrienergia tootmiseks kulutatu kõrge ökonoomsusega 350 MW võimsusega kondensatsioonjaamas.

26. Eksergilisel kulude jagamise meetod • Eksergilisel kulude jagamise meetodil toimub kulutuste jagamine vastavalt toodangu eksergia-sisaldusele. Võrreldes elektrienergiaga on soojuse eksergia mitu korda väiksem ja vastavalt on väiksem ka väljastatava soojuse hind. Viimast metoodikat on kirjanduses palju põhjendatud, kuid praktikas pole ta seni kasutamist leidnud.