Wprowadzenie
Podstawy termodynamiczne analizy uk adów hierarchicznych
2.1. Temperatury u rednione entropowo
2.2. Bilans energii i egzergii hierarchicznego silnika j-obiegowego.
2.3. Bilans energii i egzergii hierarchicznej j-obiegowej zi biarki spr arkowej
2.4. Analiza termodynamiczna uk adu hierarchicznego silnika gazowo-gazowego nap dzaj cego zi biark spr arkow
2.5. Analiza termodynamiczna uk adu hierarchicznego silnika gazowo-gazowego nap dzaj cego spr arkow pomp ciep a
2.5.1. Analiza termodynamiczna uk adu spr arkowej pompy ciep a i hierarchicznego silnika gazowo-gazowego do skojarzonej produkcji ciep a i energii elektrycznej
2.6. Analiza ekonomiczna elektrociep owni gazowo-gazowej sprz gni tej ze spr arkow pomp ciep a.
2.6.1. Porównawcza analiza ekonomiczna elektrociep owni gazowo-gazowej sprz gni tej ze spr arkow pomp ciep a z elektrociep owni gazowo-gazow bez pompy
2.6.2. Porównawcza analiza ekonomiczna elektrociep owni gazowo-gazowej sprz gni tej ze spr arkow pomp ciep a z elektrociep owni gazowo-parow oraz parow
2.6.3. Porównawcza analiza ekonomiczna elektrociep owni gazowo-gazowej sprz gni tej ze spr arkow pomp ciep a z ciep owni
2.6.4. Podsumowanie i wnioski.
2.7. Analiza ekonomiczna samodzielnie pracuj cej spr arkowej pompy ciep a
2.7.1. Porównawcza analiza ekonomiczna pracuj cej samodzielnie spr arkowej pompy ciep a z elektrociep owni parow , gazowo-parow i gazowo-gazow
2.7.2. Porównawcza analiza ekonomiczna pracuj cej samodzielnie spr arkowej pompy ciep a z kot owni domow
2.8. Podsumowanie i wnioski ko cowe.
Analiza termodynamiczna i ekonomiczna turbozespo u gazowego sprz gni tego z turboekspanderem w hierarchiczny uk ad gazowo-gazowy
3.1. Wprowadzenie.
3.2. Analiza termodynamiczna turbogeneratora gazowego sprz gni tego z turboekspanderem
3.3. Analiza ekonomiczna turbogeneratora gazowego sprz gni tego z turboekspanderem
3.3.1. Jednostkowe koszty produkcji ciep a w uk adach gazowo-gazowym i gazowo-parowym
3.3.2. Jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej w uk adzie gazowo-gazowym i gazowo-parowym
3.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
Analiza termodynamiczna i ekonomiczna trójgeneracyjnego uk adu z hierarchicznym silnikiem gazowo-gazowym do produkcji elektryczno ci, ciep a i zimna
4.1. Wprowadzenie.
4.2. Analiza termodynamiczna i ekonomiczna uk adu gazowo-gazowego do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej, ciep a i zimna
4.2.1. Analiza uk adu z zi biark spr arkow
4.2.1.1. Warunek ekonomicznej op acalno ci stosowania zi biarki spr arkowej w uk adzie trójgeneracyjnym z silnikiem gazowo-gazowym
4.2.2. Analiza uk adu z ciepln zi biark absorpcyjn
4.3. Zastosowanie w trójgeneracyjnym uk adzie gazowo-gazowym turboekspandera z regeneracj ciep a
4.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
Analiza ekonomiczna produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody w uk adzie z silnikiem gazowo-gazowym
5.1. Wprowadzenie.
5.2. Metodyka i model matematyczny jednostkowego kosztu produkcji wodoru.
5.2.1. Jednostkowy koszt produkcji wodoru
5.3. Podsumowanie i wnioski ko cowe
Analiza termodynamiczna i ekonomiczna hierarchicznego silnika gazowo-gazowego wspó pracuj cego z magazynem spr onego powietrza
6.1. Wprowadzenie
6.2. Analiza termodynamiczna hierarchicznego silnika gazowo-gazowego wspó pracuj cego z magazynem spr onego powietrza
6.2.1. Powierzchnie wymienników ciep a.
6.2.2. Minimalna wymagana obj to magazynu spr onego powietrza.
6.3. Analiza ekonomiczna zastosowania magazynu spr onego powietrza jako sposobu magazynowania elektryczno ci
6.3.1. Zdyskontowany zysk osi gany ze stosowania magazynu spr onego powietrza
6.3.1.1. Analiza wra liwo ci zdyskontowanego zysku
6.3.2. Wp yw stosowania magazynu spr onego powietrza w uk adzie z silnikiem gazowo-gazowym na obni enie jednostkowego kosztu produkcji elektryczno ci.
6.3.2.1. Analiza wra liwo ci obni enia jednostkowego kosztu produkcji elektryczno ci
6.4. Podsumowanie i wnioski ko cowe
Zast pienie gazu ziemnego w silniku gazowo-gazowym paliwem j
7.1. Analiza termodynamiczna hierarchicznej gazowo-gazowej elektrowni j drowej z wysokotemperaturowym reaktorem i helem jako czynnikiem obiegowym
7.2. Analiza ekonomiczna hierarchicznej gazowo-gazowej elektrowni j drowej z wysokotemperaturowym reaktorem i helem jako czynnikiem obiegowym .
7.3. Podsumowanie i wnioski ko cowe.
Bibliografia
1
Wprowadzenie
Niepodobna zna rzeczy tego wiata, je li si nie zna ich matematycznie
For the things of this world cannot be made known without a knowledge of mathematics (Roger Bacon, 1214–1294)
Uk ady hierarchiczne (rys. 2.3, 2.4, 3.1–3.3) s uk adami wieloobiegowymi, prawolub lewobie nymi. Prawobie ne s oczywi cie silniki cieplne, lewobie ne – robocze maszyny cieplne (zi biarki lub pompy ciep a; s to urz dzenia nap dzane prac lub równowa n jej energi elektryczn ). Fundamentaln w a ciwo ci uk adów hierarchicznych jest to, e doprowadzanie do nich ciep a z zewn trznego ród a ma miejsce wy cznie do jednego obiegu. W przypadku silnika jest to obieg znajduj cy si w hierarchii najwy ej, tj. obieg pracuj cy w zakresie temperatur najwy szych, a w przypadku roboczej maszyny cieplnej jest to obieg znajduj cy si w hierarchii najni ej, tj. obieg pracuj cy w zakresie temperatur najni szych. Do ka dego z pozosta ych obiegów ciep o jest doprowadzane ciep em wyprowadzanym z obiegów znajduj cych si w przypadku silnika w hierarchii zaraz powy ej nich, a w przypadku zi biarki lub pompy ciep a – z obiegów znajduj cych si w hierarchii bezpo rednio poni ej (rys. 2.3, 2.4).
Co najwa niejsze, w silnikach hierarchicznych sprawno konwersji energii chemicznej paliwa na prac mechaniczn jest zdecydowanie wi ksza od sprawno ci uzyskiwanej w silnikach jednoobiegowych. Jest tak dlatego, e w uk adach tych jest wykorzystywany znacznie wi kszy zakres temperatur z przedzia u T g;Tot , tj. z przedzia u mi dzy temperatur górnego ród a ciep a T g a temperatur otoczenia Tot, które stanowi dolne ród o ciep a. W najdoskonalszym termodynamicznie, teoretycznym silniku Carnota o najwi kszej teoretycznie mo liwej mocy jest wykorzystywany ca y zakres T g;Tot . Moc silnika Carnota obrazuje pole prostok ta narysowanego lini kreskow na rysunku 1.1. Im wi ksza b dzie zatem w uk adzie hierarchicznym liczba obiegów j (rys. 2.3) maj cych ró ne temperaturowe zakresy pracy, w tym wi kszym stopniu bdzie wykorzystywany w nim zakres T g;Tot . Tym samym mniejsze b d w uk adzie straty strumienia egzergii, a wi c tym wi ksza b dzie jego moc (podrozdz. 2.2). W granicy,
gdy j , ró nica mi dzy sprawno ci teoretycznego silnika Carnota (wzór (2.5)) a sprawno ci silnika hierarchicznego 1 j (wzór (2.22)) zanika, C 1 j 0, i moc mechaniczna silnika hierarchicznego równa si mocy teoretycznego silnika Carnota (wzór (2.4)), a wi c mocy maksymalnej mo liwej dzi ki wykorzystywaniu, tak jak w silniku Carnota, ca ego zakresu temperatur T g;Tot Ca kowicie odwrotna sytuacja ma miejsce w roboczej maszynie cieplnej, zi biarce lub pompie ciep a (podrozdz. 2.3, rys. 2.4). Zwi kszanie w niej realizowanych obiegów ponad jeden zwi ksza straty egzergii, a tym samym zwi ksza si moc nap dowa maszyny. Najmniejsz teoretycznie mo liw moc nap dow ma maszyna, w której realizowany jest teoretyczny lewobie ny obieg Carnota.
Rys. 1.1. Obieg porównawczy (teoretyczny) hierarchicznego uk adu gazowo-parowego: TG – obieg Joule’a turbiny gazowej, TP – obieg Clausiusa-Rankine’a turbiny parowej, Ech – energia chemiczna paliwa doprowadzana do TG, Isp – entalpia spalin wylotowych z turbiny gazowej doprowadzana do TP za pomoc kot a odzyskowego; linie kreskowe przedstawiaj obieg Carnota dla skrajnych temperatur Tg, Tot
Obecnie w praktyce s stosowane silniki hierarchiczne dwuobiegowe gazowo-parowe [1] (rys. 1.1). S to silniki, które aktualnie maj najwi ksz sprawno konwersji energii chemicznej paliwa na prac mechaniczn i w konsekwencji, zgodnie z prawem Faradaya, w generatorze elektrycznym na energi elektryczn , najszlachetniejsz , najcenniejsz , we wszystkich znaczeniach tego s owa, posta energii. Wykorzystywany w nich jest bowiem, jak do tej pory, najwi kszy zakres temperatur z przedzia u T g;Tot W zakresie temperatur wysokich realizowany jest obieg Joule’a turbiny gazowej, a w zakresie temperatur niskich – obieg Clausiusa-Rankine’ a turbiny parowej. Sprz enie obiegów Joule’a i Clausiusa-Rankine’a w uk ad hierarchiczny odbywa si poprzez uk ad spaliny-para-woda w kotle odzyskowym, w którym jest wykorzystywana niskotemperaturowa entalpia spalin wylotowych z turbiny gazowej do produkcji pary zasilaj cej turbin parow [1]. Moc silnika gazowo-parowego obrazuje suma pól obiegów
Wprowadzenie
Podstawy termodynamiczne analizy uk adów hierarchicznych
Straty strumienia egzergii (zmniejszenie mocy mechanicznej) w uk adzie termodynamicznym s spowodowane przyrostami entropii doprowadzonych i wyprowadzonych z niego czynników nap dowych bior cych udzia w zachodz cych w nim procesach termodynamicznych oraz przyrostami entropii zewn trznych róde ciep a b d cych z nim w kontakcie:
gdzie: k– liczba czynników doprowadzonych i wyprowadzonych z uk adu; l – liczba zewn trznych róde ciep a cznie z otoczeniem b d cych w kontakcie z uk adem.
Nale y w tym miejscu przypomnie , e przyrost entropii zewn trznego ród a ciep a o temperaturze T r const dostarczaj cego strumie ciep a Qd do uk adu obliczamy z definicji entropii:
Znak minus we wzorze (2.2) oznacza, e dodatni strumie ciep a Qd zosta odprowadzony ze ród a. Dla ród a pobieraj cego strumie ciep a Qw z uk adu w równaniu (2.2) zmienia si jedynie znak:
Nale y tak e przypomnie , e moc silnika Carnota:
Analiza termodynamiczna i ekonomiczna turbozespo u gazowego sprz gni tego z turboekspanderem w hierarchiczny uk ad gazowo-gazowy
3.1. Wprowadzenie
Analizuj c koszty produkcji energii elektrycznej i ciep a w hierarchicznych elektrowniach i elektrociep owniach gazowo-parowych [1] (zwanych równie uk adami kombinowanymi; ang. Combined Cycle Power Plants), okazuje si , e bardzo istotnym czynnikiem w tych kosztach jest sk adnik kapita owy cz ci parowej. Nak ady inwestycyjne bowiem na cz parow pracuj c wed ug obiegu Clausiusa-Rankine’a stanowi a ok. 40% nak adów na uk ad gazowo-parowy, gdy turbina gazowa (zarówno terminy turbina gazowa, jak i parowa maj tutaj ogólniejsze znaczenie i obejmuj w a ciwe turbiny oraz wszystkie niezb dne urz dzenia pomocnicze) stanowi tylko 30% tych nak adów. Ponadto roboty budowlano-monta owe, stanowi ce pozosta e 30% nak adów, to w przewa aj cej mierze (ponad 2/3) nak ady na roboty na cz parow . W konsekwencji jednostkowe (na jednostk zainstalowanej mocy elektrycznej) nak ady inwestycyjne pod klucz na tzw. uk ady proste, tj. elektrownie i elektrociep ownie pracuj ce wy cznie wed ug obiegu Joule’a (ang. Simple Cycle Power Plants) s ponad dwa razy mniejsze od nak adów na uk ady kombinowane i stanowi ok. 45% tych nak adów [11]. Dlatego nale y poszukiwa sposobu obni enia kosztów produkcji elektryczno ci i ciep a zwi zanych z cz ci parow hierarchicznych elektrowni i elektrociep owni gazowo-parowych. Na przyk ad zamiast instalowania w nich turbiny parowej mo na rozwa y stosowanie turboekspandera wraz ze spr ark i nagrzewnic powietrza (rys. 3.1–3.3). W elektrowniach i elektrociep owniach b d wówczas realizowane w uk adzie hierarchicznym dwa obiegi Joule’a: obieg Joule’a turbiny gazowej oraz obieg Joule’a turboekspandera.
3.2. Analiza termodynamiczna turbogeneratora gazowego sprz gni tego z turboekspanderem
Uk ad gazowo-gazowy mo e by budowany w konfiguracji dwuwa owej (rys. 3.1) [1]. Inwestycyjnie ta szy jest jednak uk ad jednowa owy (rys. 3.2, 3.3). Jest on chroniony patentem [10]. spaliny do komina
Rys. 3.1. Schemat ideowy hierarchicznego uk adu z turbin gazow i turboekspanderem w konfiguracji dwuwa owej do produkcji energii elektrycznej: G – generator elektryczny, KS – komora spalania turbiny gazowej, N – nagrzewnica powietrza; nagrzewnica jest urz dzeniem sprz gaj cym obieg turbiny gazowej z obiegiem turboekspandera, STE – spr arka niskopr na, STG – spr arka wysokopr na, TG – turbina gazowa, TE – turboekspander
gorące spaliny gaz ziemny
Rys. 3.2. Schemat ideowy uk adu z turbin gazow i turboekspanderem w konfiguracji jednowa owej do produkcji energii elektrycznej; zespó turbiny gazowej TG STG z zespo em turboekspandera TE STE osadzone s na wspólnym wale i nap dzaj jeden wspólny generator G 3. Analiza
Analiza ekonomiczna produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody w uk adzie z silnikiem gazowo-gazowym
5.1. Wprowadzenie
W rozdziale przedstawiono analiz jednostkowych kosztów produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody w uk adzie z silnikiem gazowo-gazowym (rys. 5.1). Ale nie tylko. W celach porównawczych przedstawiono tak e warto ci tego kosztu dla wszystkich pozosta ych technologii energetycznych. Energia elektryczna jest bowiem „paliwem” w produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody i dlatego wa na jest znajomo tego kosztu dla wszystkich dost pnych technologii, by wiedzie jak najtaniej go produkowa . Przedstawiono zatem tak e, co wa ne, wyniki dla tzw. odnawialnych róde energii (OZE). OZE odgrywaj bowiem obecnie w energetyce du rol , chocia ich mo liwo ci produkcji energii elektrycznej s relatywnie ma e, a jednostkowe nak ady inwestycyjne du e (tab. 5.1).
Rys. 5.1. Uk ad do produkcji wodoru w elektrolizerze (narysowane lini kreskow prostok ty oznaczaj , e korzystnie jest, gdy turboekspander TE i spr arka niskopr na STE s zabudowane w jednej obudowie i na wspólnym wale, tak jak ma to miejsce dla cz ci turbinowej i spr arki wysokopr nej STG turbiny gazowej TG)
Tabela 5.1. Zestawienie bazowych danych wej ciowych do oblicze jednostkowych kosztów wytwarzania elektryczno ci w analizowanych technologiach energetycznych [4]
Gazowo- -parowa
Gazowojednopaliwowa -parowa dwupaliwowa
AtomowaFotowoltaiczna Fotowoltaiczna prosumencka Wiatrowa Wiatrowa prosumencka
Elektrownia Węglowa, spalanie powietrzne Węglowa, spalanie tlenowe
2,74.6 (3 euro/W)
6 , 2 1 (1,5 euro/W)
6,36 , 2 13, 6 (1,5 euro/W)(3 euro/W)
6,59,118
Szacunkowe jednostkowe nakłady inwestycyjne i , mln PLN/MW
7500750080007507501750175075007500
Roczny czas pracy bloku tR , h/rok
7,6337,6111146,2555111125
węgla = 11,4 gazu = 32
11,411,46,6000032
Elektryczne potrzeby własne bloku ε el , % Okres budowy bloku b , lata
Jednostkowa cena paliwa, PLN/GJ
Czas eksploatacji T = 20 lat Roczna stopa kosztów konserwacji i remontów rem = 3%
Współczynniki x pł,p,ub = 0,25; x wu,m,od = 0,02
Stopa dyskonta r = 8%
Taryfowe jednostkowe stawki za emisje: p CO 2 = 0,29 PLN/Mg CO 2 , p CO = 110 PLN/Mg CO , p NO x = 530 PLN/Mg NO x , p SO 2 = 530 PLN/Mg SO 2 , ppył = 350 PLN/Mg pył
Emisje ze spalania węgla: ρ CO 2 = 95 kg/GJ, ρ CO = 0,01 kg/GJ, ρ NO x = 0,164 kg/GJ, ρ SO 2 = 0,056 kg/GJ, ρ pył = 0,007 kg/GJ
Emisje ze spalania gazu: ρ CO 2 = 55 kg/GJ, ρ CO = 0 kg/GJ, ρ NO x = 0,02 kg/GJ, ρ SO 2 = 0 kg/GJ, ρ pył = 0 kg/GJ
Udział energii chemicznej paliwa w całkowitym jej rocznym zużyciu, dla którego nie jest wymagany zakup pozwoleń na emisję CO 2 : u = 0
Cena uprawnień do emisji CO 2 : e CO 2 = 29,4 PLN/Mg CO 2 , ( e CO 2 = 7 euro; kurs euro/PLN=4,2) W jednostkowej cenie paliwa j drowego 6,6 PLN / GJ zawarty jest koszt jego utylizacji; stanowi on ok. 20% tej ceny.
