NOWE TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ. DUŻE BLOKI CZY GENERACJA

ROZPROSZONA

Tadeusz Chmielniak

Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych

Politechnika Śląska

27 06 2017

IMP PAN Gdańsk

Technologie Energetyki Rozproszonej – niskoemisyjne siłownie domowe w

kontekście Pakietu Zimowego

1

ZAŁOŻENIA

• Pozostają stabilne założenia polityki energetycznej UE

(ustalenia klimatyczne, wymogi emisyjne, efektywność

energetyczna, rozwój energetyki źródeł odnawialnych)

• Podtrzymana będzie rola węgla w polskiej energetyce,

• W grze pozostaje energetyka jądrowa,

• Nastąpi racjonalny rozwój energetyki źródeł odnawialnych

w Polsce,

• Bez istotniejszych opóźnień kontynuowane będą

rozpoczęte inwestycje energetyczne dużych mocy.

2

3

Zapotrzebowanie brutto na moc JWCD [GW], wykres uporządkowany

Na podstawie: Maciej Przybylski : Zapotrzebowanie na moc i potrzeby regulacyjne KSE Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO

Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r.

●Optymistyczne prognozy zapotrzebowania na energię i moc –CAGR ok. 2%

●Rok klimatyczny 2015

●Brak wymiany transgranicznej

●Zdeterminowany scenariusz rozwoju poszczególnych rodzajów nJWCD, m.in. [MW]:

Symulacje –założenia 2020 2025 2030

Biomasa i Biogaz 1 100 1 400 1 900

Wiatr(ląd i morze) 7 100 8 700 11 500

PV 350 600 2 430

STAN OBECNY. Moc w systemie

4

Sytuacja w zakresie inwestycji wskazuje, że w lata dwudzieste wejdziemy z

następującymi blokami dużej mocy:

5(6) bloków na węgiel klasy 900 –1000 MW

3 bloki na węgiel klasy 500

4 –5 bloków na gaz klasy 500

Główne pytanie: W jakim kierunku potoczą się dalsze inwestycje?

- struktura paliwowa (węgiel, gaz, paliwa jądrowe, źródła

odnawialne)

- zróżnicowanie technologiczne ( w zakresie wytwarzania,

przesyłu, zarządzania popytem i inne)

Odpowiedź na pytanie byłaby prostsza gdyby rozwiązano zadanie dotyczące

optymalizacji miksu paliwowego. Zadanie trudne do rozwiązania.

Stan technologii Potencjalna możliwość

wykorzystania w procesie

inwestycyjnym

Wysoka dojrzałość

Technologiczna. Duży stopień

upowszechnienia

++

Wysoka dojrzałość

technologiczna. Niewielki

stopień upowszechnienia

+

Dobry stopień dojrzałości

technologicznej. Mały stopień

upowszechnienia

- - +

Instalacje demonstracyjne + -

Wysoki stopień analiz

systemowych. Sprawdzone

materiały. Brak instalacji

demonstracyjnych

- - +

Opracowane koncepcje

wychwytu. Instalacje

pilotowe separacji CO2. Brak

instalacji dem. dużych mocy

- - +

TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY

Należy rozpatrywać następujące

technologie produkcji elektryczności :

• Instalacje węglowe ze spalaniem

powietrznym (kotły pyłowe i

fluidalne) bez wychwytu dwutlenku

węgla

• Układy kombinowane węglowo –

gazowe, czy węglowo - biomasowe

• Układy gazowo – parowe

zintegrowane ze zgazowaniem węgla

W dalszej perspektywie

• Instalacje węglowe ze spalaniem

tlenowym

• Ultra-nadkrytyczne bloki z kotłami

pyłowymi (bloki 50+)

• Instalacje węglowe ze spalaniem

powietrznym (kotły pyłowe i

fluidalne) z wychwytem dwutlenku

węgla

5

Instalacje węglowe ze spalaniem powietrznym (kotły pyłowe i

fluidalne) bez wychwytu dwutlenku węgla

Jednostki nadkrytyczne klasy 500-1000 MW

6

Moc brutto 447,5 MW

Spełnia standardy emisyjne

BREF: (SO2 ≤75 mg/m3, NOx

≤85 mg/m3, Pył ≤5 mg/m3)

Sprawność netto 43,1%

Paliwo: węgiel brunatny

Parametry pary:

PŚ: 605°C / 28,6 MPa

PP: 615°C / 5,9 MPa

Moc brutto 910 MW

Sprawność netto 45.9%

Paliwo: węgiel kamienny

Parametry pary

PŚ: 600°C/27.5 MPa

PP: 610°C/5,8 MPa

Moc brutto 1075 MW

Sprawność netto 45.6%

Paliwo: węgiel kamienny

Parametry pary

PŚ: 603°C/25,0 MPa

PP: 621°C/5,5 MPa

Duoblok. Podstawowe parametry

techniczne

7

DUOBLOK+ 500

KOCIOŁ TURBINA

Parametry para / woda Para pierwotna "świeża"

bar(a) 285 275

C 600 596

t/h 680 1 360

Para wtórna z kotła -"gorąca szyna"

bar(a) 52.0 50.0

C 610 608.0

t/h 565 1 130

Temperatura wody zasilającej

C 300

Na podstawie: Łukasz Grela, Wojciech Zygmański, Marian Żmija:

DUOBLOK 500 jako rozwiązanie dla rekonstrukcji bloków 200 MW.

Konferencja naukowo-techniczna DUO-BIO. Niskoemisyjne

innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z

blokami o mocy 200 MW, Warszawa 6 grudnia 2016 r.

Duobloki c.d.

8

Nowa planowana inwestycja to duoblok BoA

plus o sprawności 45 % (z podsuszaniem

węgla brunatnego)

Blok BoA plus ma być blokiem kogeneracyjnym, współspalającym biomasę i w

wersji CCS ready, z hybrydowymi chłodniami kominowymi dla ograniczenia

parowania do otoczenia

Na podstawie Prof. dr hab. inż. Maciej Pawlik : Priorytety inwestycyjne krajowego parku elektrowni

IV Konferencja Techniczna „Realizacja Bloków na Parametry Nadkrytyczne”24-25 listopada 2016

Kazimierz Dolny - Elektrownia Kozienice

WB(SW)

WB

WK

40

42

44

46

48

50

52

WK

WK, WB

2000-2010 od 2015 po 2020

Blok 50+

Spra

wno

ść [%

]

.

Opracowanie projektów koncepcyjnych

bloków nadkrytycznych (wyniki RAFAKO

S.A. w PS Zaawansowane technologie

pozyskiwania energii, zad.1))

Temperatura pary pierwotnej - 653°C

Temperatura pary wtórnej - 672°C

Ciśnienie pary pierwotnej - 303 bar

SCR - emisja NOx - 100 mg/mn3 przy CCS - 30 mg/mn3 IOS - emisja SO2 - 100 mg/mn3 przy CCS - 25 mg/mn3 Stężenie pyłu za elektrofiltrem - 30 mg/mn3 przy CCS - 10 mg/mn3 Stężenie pyłu za IOS - 10 mg/mn3 przy CCS - 5 mg/mn3 Stężenie CO <100 mg/mn3

NOWE PROPOZYCJE

Źródło Wyniki PBS-1

9

TECHNOLOGIE WĘGLOWE DO ODBUDOWY MOCY.

Inne Struktury technologiczne

Zakres mocy:

Średnie i duże moce.

250 – 600(800,1000)MW

Szeregowe i równoległe układy kombinowane

węglowo - gazowe

Części węglowe bloków są konstruowane na parametry zarówno podkrytyczne (Werne 190 bar/ 535 °C / 535 °C)-układ szeregowy jak i na nadkrytyczne (Avedore: 300 bar/ 580 °C /600 °C -uklad równoległy

10

ENERGETYKA GAZOWA

Turbiny Gazowe Dużej Mocy

Źródła: 1.A.Maekawa, Evolution and Future Trend of Large Frame Gas Turbine for Power Generation, J. of Power and Energy Systems,

Vol.5 No2, 2011 ; 2. T.Chmielniak, Turbiny gazowe. Kierunki rozwoju, [w Strategie rozwojowe w zakresie Maszyn i Urządzeń

Energetycznych, Eds. T.Chmielniak, M. Strozik, Gliwice 2009]

UKŁADY GAZOWO-PAROWE

Stalowa Wola: 460 MW

Płock 596 MW

Włocławek: 460 MW

Gorzów 140 MW

Toruń: 100 MW

Puławy: 450 MW ?

Łagisza: 450 MW ?

GENERACJA ROZPROSZONA

~500OC

WC2

WC4

SILNIK

WC3

TS

WC1

GAZ

Powietrze

OC

F

S

Odprowadzenieścieków

Kolektor gazu

Odwierty z wstępnym układem filtracyjnym

Składowisko odpadów

TECHNOLOGIE

ENERGETYCZNE.

Biomasa

14

Różny stopień

dojrzałości do

wdrożenia

poszczególnych

technologii

TURBINY GAZOWE MAŁEJ MOCY

15

kj= 4263,3Nel-0,233

R² = 0,9656

kj = 5005,9Nel-0,233

R² = 0,9656

kj = 4444,7Nel-0,222

R² = 0,9106

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

Cen

a je

dn

ost

ko

wa

, US

D/k

W

Moc turbin, kW

Poszczególne turbiny gazowe (od lewej) wg GT Handbook 20091-VPS1, 2-ST6L-813, 3-Saturn 20, 4-M1A-13D, 5-KG2-3E, 6-ST18A, 7-OGT2500, 8-UGT2500, 9-M1T-13D, 10-VPS3, 11-Centaur 40, 12-VPS4,13-501-KB5, 14-ST40, 15-GT40000SI, 16-GTES-4, 17-Centaur 50, 18-Mercury 50, 19-501-KB7S, 20-SGT-100, 21-M7A-01, 22-Taurus 60, 23-THM1203A, 24-GTES-6, 25-Taurus 65, 26-CX501 KH5, 27-UGT 6000, 28-501-KH5, 29-GT 6000, 30-M7A-02D, 31-SGT-200, 32-M7A-03D, 33-Taurus 70, 34-SGT-300, 35-UGT 8000, 36-THM1304-10, 37-Mars 100, 38-THM1304-11, 39-GE10-1, 40-THM1304-12, 41-GTES-12, 42-

THM1304-14, 43-SGT-400, 44-PGT16, 45-LM1600-PA, 46-MF-111, 47-Titan 130, 48-UGT 16000, 49-GTES-16, 50-UGT 15000, 51-SGT-500, 52-PGT20, 53-L20A, 54-LM2000PJ, 55-LM2000PS, 56-LM2500PJ, 57-LM25000PE, 58-SGT-600, 59-FT8 PowerPac, 60-GT25000, 61-UGT 25000, 62-PG5371(PA), 63-RB211-G62 DLE, 64-LM2500 PH STIG, 65-FT8-3 PowerPac, 66-SGT-700, 67-LM2500PK, 68-RB211-GT62 DLE, 69-LM2500PR, 70-MF-221, 71-LM2500PR, 72-FT8-3 PowerPac, 73-LM2500PK, 74-H-25, 75-RB211-GT61 DLE, 76-LM2500+RD, 77-LM2500+RC, 78-PG6581(B)

Gas Turbine World 2009

GTW Handdbook

Gas Turbine World 2009

GTW Handdbook - CEPCI

Literatura - CEPCI

Układy autonomiczne-

obciążenia szczytowe

Układy gazowo- parowe

malej mocy

Układy kombinowane

małej i średniej mocy

Układy ze spalaniem

zewnętrznym biomasy

Układy zintegrowane ze

zgazowaniem biomasy

Układy elektrociepłowni z

regeneracją

Układy gazowo-

powietrzne

Racjonalizacja energetyki przemysłowej

Modernizacji instalacji produkcji elektryczności i ciepła

Jednostki o zwiększonej elastyczności cieplnej

ENERGETYKA WODOROWA. Jej funkcje i

znaczenie

16

Na podstawie : Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA 2015

WIELOŚĆ FUNKCJI. STABILIZACJA SYSTEMU

17

EFEKTYWNOŚĆ. GENERACJA ROZPROSZONA

18

OGNIWA PALIWOWE

19

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2008 2009 2010 2011 2012 2013

Licz

ba

inst

alac

ji, t

ys.

Czas, rok

Inst. przenośne Transport Inst. stacjonarne Nie wykluczając w pewnych sytuacjach

wykorzystania turbin gazowych jako silników

do napędu generatorów elektryczności,

największe nadzieję wiąże się z ogniwami

paliwowymi zarówno do zastosowań

stacjonarnych jak i mobilnych. Współczesny

stan rozwoju technologicznego ogniw

paliwowych wskazuje zarówno na ich

zastosowanie do budowy stacjonarnych

instalacji generacji energii elektrycznej i ciepła

(głównie ogniw: PAFC, PEFC, MCFC i SOFC)

jak i zastosowanie w rozwiązaniach

napędowych (głównie osobowy i ciężarowy

transport samochodowy).

W drugim obszarze zastosowań dominują zastosowania w samochodach osobowych. Według

Departamentu Energii USA globalny rynek ogniw paliwowych wzrósł niemal czterokrotnie między 2008 a

2013 [2]. Tylko w 2013 przyrost zainstalowanej mocy ogniw paliwowych wynosił ponad 170 MW [1,2].

Obecnie, ponad 80% instalacji ogniw paliwowych to jednostki stacjonarne.

W pierwszym obszarze rozpatruje się zastosowanie ogniw do budowy instalacji generacji rozproszonej

(autonomiczne jednostki niskiej mocy w sieci niskich napięć, układy rezerwacji mocy, układy

kogeneracyjne w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej).

Na podstawie : 1. Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells. IEA 2015, 2. Fuel Cell Technologies Market Report, DOE 2014a

OGNIWA PALIWOWE c.d.

20

.

Należy w tym miejscu wskazać na

istotną rolę w upowszechnianiu

technologii ogniw paliwowych w

energetyce japońskiego programu

Ene Farm rozwoju instalacji

mikrokogeneracyjnych z ogniwami

polimerowymi i tlenkowymi o mocy

elektrycznej 0.7-1 kW. Program

rozpoczęto w 2009 r. Od chwili

uruchomienia programu sprzedano

ponad 120 000 (2014) jednostek.

Program przewiduje wprowadzenie

na rynek do 2030r. milion instalacji.

Początkowe dofinansowanie wynosiło

15 000 USD na jedną instalację (o

koszcie całkowitym 45 000 USD). W

2014 dofinansowanie państwa

zmniejszono do 4 000 USD ( koszt

jednostkowy 19 000 USD).

Technologia Moc Sprawność Początkowe

nakłady

inwestycyjne

Żywotność(

trwałość)

Stan rozwoju

technologii

Alkaliczne ogniwa

paliwowe Do 250

kW

Około

50%(HHV)

200-700

USD/kW

5-8 tys. h Wstępne

stadium

rynkowe

Polimerowe ogniwa

stacjonarne 0.5-400

kW

32-

49%(HHV)

3000-4000

USD/kW

60 tys. h Wstępne

stadium

rynkowe

Ogniwa

tlenkowe

Do 200

kW

50-

70%(HHV)

3000-4000

USD/kW

Do 90 tys. h Instalacje

demonstracyjne

Ogniwa

fosforanowe

Do 11

MW

30-

40%(HHV)

4000-5000

USD/kW

30-60 tys. h Dojrzały do

wdrożenia

Ogniwa

węglanowe

kW-

szeregu

MW

Ponad

60%(HHV)

4000-6000

USD/kW

20-30 tys. h Wstępne

stadium

rynkowe

Dominują instalacje z ogniwami polimerowymi. Ze względu na fakt, że w strukturze kosztów

instalacji kogeneracyjnej małej mocy nakłady na ogniwo paliwowe są rzędu jedynie 15%, nie

należy oczekiwać dalszego istotniejszego obniżenia cen instalacji kogeneracyjnych. Obecny stan

rozwoju ogniw do energetycznych zastosowań stacjonarnych ilustruje tablica . Wynika z niej, że

najdojrzalsze konstrukcyjnie są ogniwa fosforowe (PAFC). Mają one jednak stosunkowo niski

potencjał wzrostu sprawności i obniżenia kosztów inwestycyjnych. Jak już stwierdzono w

rozwiązaniach mobilnych największy potencjał mają ogniwa polimerowe

TECHNOLOGIA ELEKTRYCZNOŚĆ CIEPŁO i

CHŁÓD

TRANSPORT UWAGI

El. Wiatrowe On shore

Off shore

+ -

El. Wodne Małe(<10MW)

Duże(>10MW)

+ -

Konwersja energii

słonecznej

El. Fotowoltaiczne

El. Termiczne(

farmowe i wieżowe)

Kolektory +

+ -

El Morskie Wykorzystanie:

Fal morskich

Pływów morskich

Termiczne(gradient

temperatury)

Zjawisko osmozy

-

Konwersja energii

geotermalnej

Siłownie cieplne

konw.

Obiegi ORC i Kaliny

Inne

Energia

gruntu +

pompy

ciepła,

Konwersja

bezpośrednia

+ -

Konwersja biomasy i

odpadów

Siłownie cieplne

Układy zintegrowane

ze zgazowaniem

termicznym i

biologicznym

Ciepłownie,

kogeneracja

Bioetanol,

Biodiesel,

Biogaz

+

ENERGETYKA

ŹRÓDEŁ

ODNAWIALNYCH

Elektrownie wiatrowe

Ogniwa fotowoltaiczne

Biomasa

Doskonalenie technologii

Rola w systemie

Funkcje akumulacyjne

WNIOSKI

22

Nie ma obecnie zasadniczych sprzeczności miedzy poszczególnymi

technologiami, w tym sensie, że możliwe jest wykorzystanie ich charakterystyk w

budowie racjonalnej struktury paliwowej systemu elektroenergetycznego.

Wzrastający udział wytwarzania losowego (źródła o małej gęstości

energetycznej) zwiększa wymagania w stosunku do źródeł o dużej gęstości (

energetyka paliw kopalnych) - elastyczność cieplna, ekonomia zmiennego

obciążenia;

Głównym zadaniem pozostaje poszukiwanie optymalnego miksu paliwowego i

technologicznego. Zadanie wobec dużej dynamiki zmian technologicznych nie

jest proste do rozwiązania. Do rozstrzygnięcia jest np. rola energetyki gazowej i

jądrowej;

W procesie odbudowy mocy ważna rolę powinny odegrać bloki węglowe o różnej

strukturze technologicznej i różnej mocy. Należy także w procesie modernizacji i

odbudowy mocy rozpatrywać układy kombinowane wielopaliwowe;

Ważnym problemem pozostaje rozstrzygnięcie między skalą procesów

modernizacyjnych a zakresem inwestycji w nowe moce;

• Istnieje wiele technologii umożliwiających rozwój źródeł rozproszonych, w tym

wykorzystujących paliwa węglowodorowe.

• Nowego znaczenia nabiera energetyka wodorowa. Nowe możliwości wynikają

głownie z faktu wytwarzania wodoru z wykorzystaniem nadmiarowej energii

odnawialnej, jej funkcji magazynowej oraz istotnego potencjału zastosowań

ogniw w transporcie, co znacznie zmniejsza koszty ogniw.

• Racjonalne przyspieszenia transformacji systemu energetycznego wymaga

ciągłego poszerzenia wiedzy w społeczeństwie. Tylko w ten sposób można

uniknąć powstania wrogości wobec jednej klasy technologii i przecenienia roli

innych. Jest to zadanie kierowane nie tylko do całego systemu edukacji ale

także polityków i działaczy gospodarczych .

23

WNIOSKI

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

24