Ljubljani, Fakulteta za strojništvo
Ljubljani, Fakulteta za strojništvo
Ljubljani, Fakulteta za strojništvo
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
TEHNOLOGIJE ZA SOPROIZVODNJO<br />
TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE<br />
IZ LESNE BIOMASE<br />
Univer<strong>za</strong> v <strong>Ljubljani</strong>, <strong>Fakulteta</strong> <strong>za</strong> <strong>strojništvo</strong><br />
Center <strong>za</strong> energetske in ekološke tehnologije<br />
dr. Uroš Stritih, Gregor Zupan, prof. dr. Vincenc Butala<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007
- Plinski motor<br />
- Dieselski motor<br />
- Mikro turbina<br />
- Stirlingov motor<br />
VSEBINA<br />
- Organski rankinov proces (ORC)<br />
- Parna turbina in parni motor<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007
Plinski motor<br />
• Standardni motorji ki poganjajo<br />
alternator, ki pretvarja mehansko delo v<br />
električno energijo<br />
• Možnost uporabe goriva na osnovi<br />
biomase (tudi trdne): bioplin, plin iz<br />
čistilnih naprav, odlagališčni plin, plini,<br />
ki nastanejo pri uplinjanju trdne biomase<br />
• Toplota produktov zgorevanja se<br />
uporablja <strong>za</strong> procesno toploto ali <strong>za</strong><br />
ogrevanje<br />
Biomasa<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Odstranjevalec<br />
smole<br />
Dovajanje<br />
goriva Uplinjevalnik<br />
Pepel<br />
Zrak<br />
Plinsko<br />
hlajenje<br />
Električna<br />
energija<br />
Plinski<br />
filter<br />
Pepel<br />
Vir: VTT Processes, 2003<br />
Plinski motor(ji)<br />
Plinsko<br />
hlajenje<br />
Plinski<br />
rezervoar<br />
Dimnik<br />
Prenosnik<br />
toplote<br />
Toplota
Dieselski motor<br />
• Uporaba dizelskega motorja je ve<strong>za</strong>na na proizvodnjo piroliznih olj iz lesne<br />
biomase<br />
• Piroli<strong>za</strong> je kemična razgradnja snovi s segrevanjem brez prisotnosti kisika<br />
• Pirolizna olja so proizvedena iz biomase v enotah <strong>za</strong> pirolizo.<br />
Biomasa<br />
Sušilec<br />
Piroli<strong>za</strong><br />
Olje<br />
Zrak<br />
Pirolizno olje<br />
Dizelski motor<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Produkti zgorevanja<br />
Piroli<strong>za</strong> in dizelski motor<br />
Vir: OPET Finska, 2003
Mikro turbina<br />
• Plinska turbina izhodne moči med 25 in<br />
250 kW e<br />
• Možnost uporabe trdne biomase kot goriva<br />
(uplinjanje biomase)<br />
• Toplotna energija plinov se v turbini<br />
pretvori v mehansko energijo, ki poganja<br />
alternator<br />
• Preostanek energije (v obliki visokih tokov<br />
vročih plinov) se uporabi v prenosniku<br />
toplote <strong>za</strong> procesno toploto ali ogrevanje<br />
Zgorevalna<br />
komora<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Mikro<br />
turbina<br />
Produkti<br />
zgorevanja<br />
Prenosnik<br />
toplote<br />
Rekuperator<br />
G<br />
Vir: www.energytech.at, 2004<br />
Toplota<br />
Zrak iz<br />
kompresorja<br />
Električna<br />
energija
Mikro turbina - primer Prerez mikro turbine<br />
(vir: www.biomasse-info.net)<br />
• Imatra – Finska<br />
•pričetek obratovanja: oktober 2003<br />
• turbina: 30 kW (Capstone Turbine<br />
Corporation)<br />
• letna proizvodnja el.: 240 MWh<br />
• gorivo: odlagališčni plin<br />
Mikro turbina na odlagališčni plin<br />
(vir: www.storaenso.com)<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007
Stirlingov motor<br />
• Zaprt krožni proces – ekspanzija v vročem<br />
valju, kompresija v hladnem valju<br />
• Zunanje zgorevanje – prenos toplote od<br />
zunaj skozi prenosnik toplote<br />
• Možnost uporabe različnih plinov <strong>za</strong><br />
prenos toplote v in iz krožnega procesa<br />
• Možnost uporabe katerega koli vira toplote<br />
(tudi lesne biomase) – motor se prigradi<br />
kurilni napravi<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Električna učinkovitost (%)<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
T=80 °C<br />
Predgrevanje<br />
zraka<br />
T=600 °C<br />
Električna učinkovitost v odvisnosti od vrste plina v<br />
Stirlingu<br />
27,3<br />
20,8<br />
23,2<br />
36,2<br />
27,6<br />
Zrak Acetilen Amoniak Helij Vodik<br />
Dimnik<br />
Vrsta plina v Stirlingu<br />
Daljinsko<br />
ogrevanje<br />
T=764 °C<br />
Sekundarni<br />
zrak<br />
Primarni zrak<br />
Stirlingov motor<br />
T=1200 °C<br />
Vir: Henrik Carlsen, DTU, Danska, 2001<br />
T=60 °C
Stirlingov motor - raziskave<br />
• Avstrija (www.sunmachine.at)<br />
•električna moč: 1,5-3 kW<br />
• toplotna moč KN: 4,5-10,5 kW<br />
•električna učinkovitost: 20-25%<br />
• delovni plin: dušik<br />
• gorivo: lesni peleti<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Kogeneracijska enota s Stirlingovim<br />
motorjem (vir: www.sunmachine.at)<br />
Kogeneracijska enota s Stirlingovim<br />
motorjem (vir: www.sunmachine.at)
Stirlingov motor - raziskave<br />
• Graz – Avstrija (www.meinkraftwerk.at)<br />
•električna moč: 1 kW<br />
• toplotna moč KN: 15 kW<br />
• delovni plin: zrak<br />
• gorivo: lesni peleti<br />
Stirlingov motor (vir:<br />
www.meinkraftwerk.at)<br />
Kogeneracijska enota s<br />
Stirlingovim motorjem (vir:<br />
www.meinkraftwerk.at)<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Kogeneracijska enota s<br />
Stirlingovim motorjem (vir:<br />
www.meinkraftwerk.at)
Stirlingov motor - primer<br />
• Oberlech - Avstrija<br />
• poskusno obratovanje: 2003 in 2004<br />
•električna moč: 31 kW<br />
•moč dovedena z gorivom: 337 kW<br />
•električna učinkovitost: 9,2%<br />
• gorivo: lesni sekanci<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
35 kW Stirlingov motor<br />
(vir: www.stirling.dk/)<br />
35 kW Stirlingov motor<br />
prigrajen kurilni<br />
napravi na lesne<br />
sekance (Vir:<br />
www.mawera.com/)
Organski Rankinov proces (ORC)<br />
• Proces je podoben konvencionalnemu<br />
Rankinovemu procesu – namesto vode<br />
organski delovni medij<br />
• V uparjalniku uparjeni organski medij<br />
ekspandira v turbini in poganja alternator,<br />
ekspandirana para pa kondenzira v<br />
konden<strong>za</strong>torju<br />
• Konden<strong>za</strong>tor se ohlaja s povratno<br />
ogrevalno vodo<br />
• Proces primeren <strong>za</strong> katerokoli obliko<br />
biomase (trdna, tekoča in plinasta) kakor<br />
tudi <strong>za</strong> odpadno toploto<br />
Kotel s<br />
Thermal<br />
termalnim<br />
oil<br />
boiler oljem<br />
Biomass Biomasa<br />
Kurilna Furnace naprava<br />
Combustion Predgrelnik<br />
zgorevalnega air pre-heater zraka<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Električna učinkovitost (%)<br />
50<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
Amoniak<br />
R113<br />
El. učinkovitost v odvisnosti od temp. uparjanja <strong>za</strong> različne medije<br />
Krog Thermal termalnega oil cycle olja<br />
Thermal oil ECO<br />
G<br />
Generator<br />
(directly coupled)<br />
Combustion<br />
Zgorevalni<br />
zrakair<br />
Dimni Flue plini gas<br />
Evaporator Uparjalnik<br />
ORC<br />
process proces<br />
Silicon oil<br />
pump<br />
Črpalka<br />
silikonskega olja<br />
Economiser Grelnik<br />
(ekonomajzer)<br />
Voda<br />
5<br />
Izobutan<br />
Propan<br />
0<br />
50 100 150 200 250 300<br />
Temperatura uparjanja (°C)<br />
Turbine Turbina<br />
Regenerator<br />
Konden<strong>za</strong>tor<br />
Condenser<br />
Amoniak<br />
Izobutan<br />
Propan<br />
R113<br />
Voda<br />
District<br />
Daljinsko Heating ogrevanje<br />
Vir: BIOS Bioenergy systems, Avstrija 2003
Organski Rankinov proces<br />
(ORC) - primer<br />
• Admont - Avstrija<br />
•pričetek obratovanja: 1999<br />
•električna moč: 400 kW<br />
• toplotna moč KN: 3200 kW<br />
•električna učinkovitost: 18%<br />
• gorivo: lesni ostanki iz industrije<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
ORC kogeneracijska enota v Admontu<br />
(vir: BIOS Bioenergy systems, Avstrija,<br />
TURBODEN Srl, Italija, 2003)
Organski Rankinov proces<br />
(ORC) - primer<br />
• Lienz – Avstrija<br />
•pričetek obratovanja: 2002<br />
•električna moč: 1000 kW<br />
• toplotna moč KN: 6000 kW<br />
•električna učinkovitost: 18%<br />
• gorivo: lesni ostanki iz industrije Turbina ORC procesa v Lienzu (vir: BIOS<br />
Bioenergy systems)<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007
Organski Rankinov proces<br />
(ORC) - primer<br />
• Dobbiaco - Italija<br />
•pričetek obratovanja: 2003<br />
•električna moč: 1500 kW<br />
• vhodna toplotna moč: 8700 kW<br />
•električna učinkovitost: 17,2%<br />
• gorivo: lesna biomasa<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
ORC modul v Dobbiaco, Italija<br />
(vir: BIOS Bioenergy systems)
Parna turbina in parni motor<br />
• Najbolj uporabljeni tehnologiji v<br />
kogeneracijah<br />
• Pri manjših sistemih je parni<br />
motor glede stroškovne<br />
učinkovitosti boljša rešitev kot<br />
parna turbina<br />
Biomasa<br />
HRANILNIK<br />
PRIPRAVA<br />
IN<br />
PREDELOVANJE<br />
Izpuh<br />
KURILNA<br />
NAPRAVA<br />
Pepel<br />
Para<br />
KONDENZATOR<br />
GENERATOR<br />
• Procesa sta si podobna, s tem da je parna turbina <strong>za</strong>menjana s parnim motorjem<br />
• Toplota motorja in konden<strong>za</strong>cijska toplota se uporabita <strong>za</strong> procesno toploto ali<br />
<strong>za</strong> ogrevanje<br />
• Možna uporaba katerekoli oblike biomase (trdne, tekoče kot tudi plinaste)<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
TURBINA<br />
Toplota<br />
Elektrika
Parni (vijačni) motor - primer<br />
• Hartberg - Avstrija<br />
•pričetek obratovanja: 2003<br />
•električna moč: 700 kW<br />
• vhodna toplotna moč: 5640 kW<br />
•električna učinkovitost: 12,6%<br />
• gorivo: lesna biomasa<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007<br />
Parni motor na biomaso v Hartbergu, Avstrija: 1visokotlačna<br />
stopnja, 2-nizkotlačna stopnja, 3-prestavni<br />
mehanizem, 4-generator (vir: Bios Bioenergy Systems)
Značilne tehnološke karakteristike <strong>za</strong> manjše ko-generacijske tehnologije<br />
(vir: Climtech program VTT)<br />
Električna moč<br />
(kW e )<br />
Električni<br />
izkoristek (%)<br />
Toplotni<br />
izkoristek (%)<br />
celotni<br />
izkoristek (%)<br />
Proizvodnja<br />
toplote (°C)<br />
Življenjska<br />
doba (h)<br />
Dizelski/plinski<br />
motor<br />
Mikro<br />
turbina<br />
Stirlingov<br />
motor<br />
ORC Parni motor<br />
15-10.000 25-250 10-150 200-1500 20-1000<br />
30-38 15-35 15-35 10-20 15-35<br />
45-50 50-60 50-60 70-85 40-70<br />
75-85 75-85 75-85 85-95 75-85<br />
85-100 85-100, para 60-80 80-100 para<br />
25.000-60.000 50.000-75.000 50.000-60.000 ? >50.000<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007
Zaključki<br />
• Bolj smiselna soproizvodnja toplote in električne energije kot<br />
ločena proizvodnja.<br />
• Za lesno biomaso velja da je:<br />
- <strong>za</strong> hišno tehniko (do 100 kW) najbolj primerna tehnologija<br />
Stirlingov motor.<br />
- <strong>za</strong> manjše kogeneracijske sisteme (do 1MW) je<br />
priporočljiv ORC proces in<br />
- <strong>za</strong> večje sisteme (več MW) pa se uporablja parni proces.<br />
• Priporočilo EU: več manjših in mikro sistemov namesto gradnje<br />
velikih sistemov – decentralizirana spoproizvodnja<br />
Bioprom – Promocija bioenergije<br />
Ljubljana, 30. maj 2007
Change language