Stroje a zariadenia na výrobu mechanickej a elektrickej energie z biomasy

1. Cv. 10 Bioenergetika Stroje a zariadenia na výrobu mechanickej a elektrickej energie z biomasy

2. Obsah • Výroba mechanickej energie z biomasy • Výroba elektrickej energie z biomasy • Multigeneračné systémy pri výrobe elektrickej energie • Výroba elektriny v palivových článkoch

3. I. Výroba mechanickej energie a. Mechanická energia z plynných palív v spaľovacom motore b. Mechanická energia z bionafty v spaľovacom motore c. Mechanická energia z oleja v spaľovacom motore d. Mechanická energia z tepla Poznámka: Vyrobiť mechanickú energiu z biomasy možno z bioplynu, drevoplynu,... oleja, bionafty a z tuhého paliva.

4. a. Mechanická energia z plynných palív v spaľovacom motore

5. Plynné biopalivá (drevoplyn a  bioplyn) na výrobu mechanickej energie • Použitieplynných biopalív v spaľovacích motoroch mobilných zariadení pochádza z XIX storočia a značne sa rozšírilo v Európe počas 1. a 2. svetovej vojny. • Obidve palivá (drevoplyn a bioplyn) je možné použiť v benzínových i naftových motoroch. Je však potrebné v nich urobiť isté úpravy. • Problémom vo vozidle je skladovací priestor na plyn pod tlakom často väčším ako 20 MPa.

6. Relatívny výkon naftového motora nadrevoplyn alebo bioplyn je asi 85-90 % pôvodného výkonu. • Motor nadrevoplyn alebo bioplyn produkuje menej emisií, hlavne CO a NOx, ako motor na benzín či naftu. • Bioplyn a drevoplyn sa v súčasnosti ako palivo v motorových vozidlách nevyužíva. Hlavným dôvodom je: – Bioplyn, keď sa už vyrobí, je lepšie ho zhodnotiť v stacionárnom zariadení – napr. v kogeneračnej jednotke pri výrobe elektrickej energie a tepla. – Drevoplyn vzhľadom na nižšiu energetickú hodnotu je významným palivom v kotloch pre výrobu tepla a teplej vody.

7. b. Mechanická energia z bionafty v spaľovacom motore

8. Bionafta na výrobu mechanickej energie • Vo väčšine krajín prevláda používanie bionafty hlavne ako prísady do klasickej nafty. • Vyššie ako 30 % zastúpenie vedie k problémom s oxidačnou stabilitou, tvorbou živíc a usadenín v motore. • V USA sa presadzuje palivo s 20 % zastúpením bionafty v motorovej nafte, vo Francúzsku sa pridáva 5 %. • V Nemecku sa predáva hotová zmes, ale je možné si načerpať ľubovolnú zmes. • Na Slovensku od r. 2010 platí povinnosť pridávať 5,75 % bionafty do motorovej nafty(a do ostatnýchpalív 5,75 % biozložiek).

9. Mechanická energia z oleja v spaľovacom motore

10. Elsbett motor • Elsbett motor vyrába mechanickú energiu spaľovaním čistého neesterifikovanéhorastlinného oleja. • Elsbett motor dosahuje účinnosť do 40 %. Poznámka: Bežný automobilový motor dosahuje účinnosť <30 %.

11. Elsbett motor Je vybavený špeciálnym vstrekovaním oleja kombinovaným s okrúhlou spaľovacou komorou umiestnenou vo valci motora. Riešenie umožňuje spaľovanie oleja pri vysokej teplote v centre obklopenom vrstvou studeného vzduchu.

12. Porovnanie účinnosti rôznych typov a jazdný dosah vozidiel s rôznym typom motora a paliva. Dojazd sa vzťahuje na rovnaký objem paliva

13. d. Mechanická energia z tepla (Motor na teplý vzduch, teplovzdušný motor s vonkajším spaľovaním)

14. Stirlingov motor - motor na teplý vzduch • Bratia Stirlingovci zostrojili v roku 1816 stroj, ktorý mení tepelnú energiu na mechanickú. • V tom čase bol využívaný na odčerpávanie vody z baní. • V súčasnosti začalo byť výhodné používať ho opäť – ako napr. súčasť kogeneračných zariadení • Stirlingov motor je možné nazvať ekologickým motorom 21. storočia.

15. Stirlingov motor ohrievacie trubice rotačná spojka spaľovacia dýza chladič piest regeneračný výmenník

16. Princíp práce Stirlingovho motora a) b) c) Princíp spočíva v pohybe plynu medzi dvomi prostrediami s rozličnými teplotami. Cyklus prechádza štyrmi fázami, ktoré sú nazvané: ochladenie, kompresia, zahrievanie, expanzia. Extrémne minimálny rozdiel teplôt, ktorý uvedie motor do pohybu je (5-6) °C. www.hardware.sk/.../user17/alphastirling.gif

17. Stirlingov motor • Pel = (1-50) kW • el = (10-30) % • Palivom je„čokoľvek“ čo pri spaľovaní privádza teplo z vonku motora – vonkajšie spaľovanie. Motor pracuje na teplo z biomasy (taktiež na energiu geotermálnu, solárnu a pod..) • Výhody: • nízke emisie, • malá hlučnosť (výzvedné ponorky), • nízke nároky na údržbu, variabilita paliva • Nevýhody: – nízka dynamika zmeny záťaže – cena: 1100-1300 €.kWE–1

18. II.Výroba elektrickej energie z biomasy Výrobné systémy elektrickej energie z biomasy

19. Výroba elektriny podľa zdrojov v SR (2008)(enviroportal.sk/.../0022/2270/image003.gif , Zdroj: ŠÚ SR; Spracoval: SAŽP2008) Z pohľadu zdrojov sa na výrobu elektriny najviac využíva jadrová a vodná energia. Z fosílnych palív – čierne uhlie a zemný plyn (teplárne), hnedé uhlie (elektrárne, teplárne). Pre zabezpečenia energetickej bezpečnosti SR je potrebný nárast využívania ostatných OZE.

20. Výrobné systémy elektrickej energie z biomasy 1 2 3 4 Poznámka: Pohon elektrogenerátora zabezpečujú: 1– parná turbína, 2 – piestový motor, 3 –spaľovacia turbína.

21. Elektrárne na biomasu 1 - parná turbína s parným kotlom na tuhé, tekuté alebo plynné biopalivo - pohon elektrogenerátora 1 2 3 4 2 - piestový motor na olej, drevoplyn, bionaftu, bioplyn, etanol, metanol z biomasy -pohon elektrogenerátora 3 - spaľovacia turbína na bioplyn, drevoplyn, olej, etanol, metanol z biomasy -pohon elektrogenerátora 4 - palivový článok je zásobovaný vodíkom (z metánu, bioplynu, z metanolu a pod. -bez mechanického pohonu

22. Veľké parné elektrárne Spaľovanie biomasy vo veľkých parných elektrárňach (a) s parným kotlom znamená výrobu pary potrebnej pre pohon parnej turbíny (b) napojenej na elektrogenerátor. Biomasa vhodná na výrobu elektriny: slama, energetické plodiny a drevný odpad (štiepka) – bioplyn, drevoplyn. (a) (b)

23. Elektrogenerátor poháňaný piestovým motorom • Palivom pre stacionárnypiestový motor je olej, drevoplyn, bionafta, bioplyn, etanol alebo metanol z biomasy. • Vzniká až 60-70 % odpadového tepla.

24. Elektrogenerátor poháňaný spaľovacou turbínou Biopalivo zmiešané so vzduchom expanduje v turbíne, pričom poháňa elektrogenerátor.

25. III. Multigeneračné systémy pri výrobe elektrickej energie • Kogenerácia • Systém ORC • Trigenerácia

26. Pri výrobe elektrickej energie je vedľajším produktom tepelná energia v pomere asi 1/3 elektriny a až 2/3 odpadového tepla. Teplo spalín, teploz chladenia motora, elektrogenerátora je možné využiť na ohrev budov a pod.. Kombinovaná výroba elektriny a tepla znamená, že zariadenie umožňuje vyrobiť elektrinu a súčasne využiť vzniknuté zvyškové teplo.

27. Kombinovanú výrobu energie možno dosiahnuť pomocou nadväzujúcich na seba niekoľkých zariadení, líšiacich sa spôsobom a stupňom premeny primárneho paliva: na dve zložky – teplo a elektrická energia – kogenerácia na tri zložky–teplo, elektrická energia a chlad – trigenerácia

28. Kogenerácia Kombinovaná výroba elektriny a tepla (KVET)môže byť cestou: • plynovej kogenerácie • systémom ORC (organický Rankinov cyklus)

29. Kogeneračná jednotka vyrába elektrinu aj teplo

30. Plynová kogenerácia znamená spaľovanie plynného biopaliva v stacionárnom motore Kogeneračná jednotka: spaľovací motor generátor elektrickej energie.

31. V kogeneračnej jednotke spaľovací motor vyrába elektrinu pomocou elektrogenerátora • Motor spaľuje kvapalné alebo plynné palivo. • Možno získať 30-40 % elektriny a 40-50 % teplaz energie obsiahnutej v bioplyne. (Zvyšok predstavuje tepelná energia potrebná na udržanie optimálnej prevádzkovej teploty bioplynového digestora).

32. Kogeneračná jednotka na bioplyn – SPU Kolíňany Malý plynojem a malý biodigestor

33. Kogeneračná jednotka na tuhú biomasu v Trhových Svinech (CZ) Kotol na biomasu a jeho palivo

34. Kogeneračná jednotka PD Kapušany pri Prešove. Inštalovaný výkon: 120 kWE + 210 kWT

35. Systém ORC (Organický Rankinov cyklus) ORC je podobný klasickému elektrárenskému kondenzačnému cyklu tepelných elektrárni na fosílne palivo. Klasickýelektrárenský cyklus - transformuje tepelnú energiu na mechanickú a následne na elektrickú • pracuje s prehriatou vodnou parou pri teplote až 530 °C • dosahuje termickú účinnosť asi 30 %, výnimočne až 85 % – čo ale je obmedzené pracovným materiálom pracujúcim za horúca pri tlaku až 15 MPa!

36. ORC je taktiež elektrárenský kondenzačný cyklus, ale: – používa na spaľovanie biomasu – používa v pracovnom okruhu namiesto vody či vodnej pary zmes organických zlúčenín, napr. izopentán, izooktán, toluol alebo špeciálne upravený silikónový olej, ktoré sú svojimi termodynamickými vlastnosťami vhodné na použitie v tepelnom obehu – má bod varu zmesi organických zlúčenín je už pri+40 °C – pracuje s prehriatou parou iba 270 °C.

37. ORC pri vykurovaní biomasou VT1,VT2 – výmenníky tepla:

38. ORC jednotka ORC – výmenník tepla termooleja a vody

39. Elektrogenerátor ORC jednotky

40. Sušiarenské komory rezivá sú vykurované odpadovým teplom zo systému ORC

41. Trigenerácia = kombinovaná výroba tepla, elektrickej energie a chladu • Teplo ako vedľajší produkt pri výrobe elektriny je v letných mesiacoch nežiaduce, ale dá sa použiť na výrobu chladu. • Pod výrobou chladu rozumieme prípravu studenej – chladenej vody najčastejšie s teplotou + 2-6 °C, ktorá sa používa napr. na klimatizáciu priestorov. • Chladená voda sa zohreje v priestore (miestnosti), ktorý chceme ochladiť napr. na teplotu +20 °C. Následne táto voda teplo získané z priestoru odovzdá v chladiacom stroji pracovnej látke.

42. Potreba energie počas roka

43. Biopalivo Elektrina Teplo Teplo Chlad Princíp trigenerácie

44. Agregát na výrobu ľadovej vody môže byť kompresorový alebo absorpčný Zariadenie vyrába chladnú vodu s teplotou max. + 4,5 °C. Voda sa používa pre potreby klimatizácie priestorov Zásobník chladu

45. IV. Výroba elektriny v palivových článkoch

46. Výroba elektriny v palivových článkoch • Výroba elektriny v tepelnej elektrárni sa uskutočňuje premenou paliva cez „medzistupeň“ spôsobom: tepelná energia  mechanická energia  elektrická energia • V palivových článkoch sa realizuje priama premena chemickej energieplynného paliva na elektrickú energiu spôsobom: chemická energia = elektrická energia + tepelná energia Čistá elektrická účinnosť je 35-65 %.

47. Princíp činnosti palivových článkov • Obrátený proces elektrolýzy vody, je známy od r. 1839. • Palivový článok je elektrochemické zariadenie, ktoré trvalo premieňa chemickú energiu priamo na elektrickú energiu a teplo – pokým je privádzané palivo a oxidant. • Palivom je plynný vodík a oxidantom kyslík. • Elektrochemická reakcia prebieha na elektródach a produktom reakcie je elektrický prúd. • Odpadom je neškodný produkt – teplá voda alebo para.

48. Princíp výroby elektrickej energie z palivového článku

49. Palivový článok – princíp činnosti • Vodík ako palivo, je privádzaný na anódu, kde sa za pomoci katalyzátora uskutoční rozklad jeho atómov na protóny a elektróny. • Protóny sa na katódu dostanú priamo cez elektrolyt, kým elektróny iba „obchádzkou“ cez elektrický okruh spotrebiča, kde vytvárajú jednosmerný elektrický prúd. • Oxidant, napr. vzdušný kyslík je kontinuálne privádzaný ku katóde, kde nastáva redukčná reakcia. Za pomoci katalyzátora sa uskutočňuje oxidácia vodíka, v rámci ktorej sa vodík a kyslík spoja a vytvoria vodu ateplo.

50. Srdcom celého zariadenia je elektrolyt, ktorý má membránové vlastnosti, preto prepúšťa z jednej elektródy na druhú iba kladne nabité ióny atómu (protóny), pričom elektróny zadrží. • Produktom reakcie je elektrickýprúdvysokej intenzity20-100 A.dm–2, pri súčasne nízkom napätí0,5-0,7 V. • Z dôvodu nízkeho napätia sa palivové články spájajú do buniek (modulov).