FES – Flexibilní energetický systém se zvýšenou účinností transformace primární energie tuhých i alternativních paliv a tepla odpadních spalin

Jedním ze základních problémů, které musí společnost vyřešit, je zajistit dostatek energie při respektování zásad ochrany životního prostředí – a dnes, chcete-li, včetně snížení emisí skleníkových plynů, z nichž pozornost je zaměřena prakticky jen na CO₂.
Prosté snižování spotřeby elektřiny a tepla (omezováním ekonomiky a životní úrovně občanů) nelze z hlediska rozvoje společnosti považovat za vhodné a perspektivní řešení, ale pro zajištění udržitelného rozvoje společnosti je třeba se zaměřit na snižování energetické náročnosti ve všech oblastech společnosti, tedy i při výrobě elektřiny a tepla.
Zůstaneme-li u tuhých fosilních a alternativních paliv, tak pro transformaci jejich primární energie máme k dispozici technologie jejich spalování nebo zplyňování. Zatím co technologie zplyňování, zejména pro větší výkony, jsou stále ještě předmětem vývoje, technologie spalování jsou komerčně k dispozici s dostatečnou účinností i spolehlivostí, a to včetně systémů snižujících produkci a emise škodlivin.
Tak pro spalování uhlí a stejně tak i pro spalování tuhých alternativních paliv (odpadní biomasa, pěstovaná energetická biomasa, vhodné odpady apod.), ale i plynných a kapalných alternativních paliv nevhodných pro plynové motory, máme dnes k dispozici technologie spalování na roštu, v práškovém ohništi a ve fluidním ohništi s bublinkovou nebo cirkulující fluidní vrstvou – tyto, vzhledem k vysoké spolehlivosti a dosahované účinnosti spalování jsou vhodné i pro použití u systémů s vysokou účinností transformace.
Zvyšování celkové netto účinnosti transformace primární energie na energii elektrickou naplňuje tedy záměr nejen na snížení energetické náročnosti výroby elektřiny, ale i na snížení produkce škodlivin a je dnes jedinou komerčně dostupnou cestou ke snížení produkce CO₂ – a bude i podmínkou pro nasazení dnes vyvíjených technologií CCS (Carbon Capture Storage) [3] zaměřených na zachycování a ukládání (využívání) CO₂, neboť při jejich využití se musí počítat se značnou spotřebou energie, takže celková účinnost se sníží o více než 5 %. Jestliže se dnes může u velkých bloků se supernadkritickými parametry očekávat celková účinnost transformace cca 45 %, pak uvedené zvýšení vlastní spotřeby energie vrací technologii výroby elektřiny z uhlí zpět do generace bloků s podkritickými parametry páry.
Je tedy žádoucí zaměřit vývoj technologií výroby elektřiny, ale i tepla, na dosažení co nejvyšší celkové účinností transformace primární energie paliv na energii elektrickou. Jednu z možností představuje i vyvíjený FES – flexibilní energetický systém, jehož principiální schéma je vidět na obr. 1.

Obr. 1 - Principiální schéma FES

FES – je flexibilní energetický systém, který pro transformaci primární energie pevných paliv na energii elektrickou s využitím Braytonova nebo kombinovaného Braytonova a Rankinova-Clausiova cyklu využívá technologii jejich spalování.
Zjednodušeně lze FES charakterizovat jako vlhký oběh s plynovou turbínou s nepřímým ohřevem pracovního média, kterým v nejjednodušších případech je směs vzduchu a vodní páry – stručně parovzduchová směs.
Zdrojem primární energie pro FES jsou pevná paliva (jako je např. uhlí, biomasa, alternativní paliva případně i odpady), ale i znečištěná plynná a kapalná paliva a odpady nevhodné pro přímé spalování v plynových motorech. Jako zdroj primární energie lze však využít i teplo odpadních spalin z různých tepelných agregátů.
Protože spalování uvedených paliv je prakticky proveditelné jen v ohništi s chlazenými stěnami, je použita klasická spalovací komora CHSK (chlazená spalovací komora) provedená z membránových stěn zapojených jako výparník s přirozenou cirkulací (předaným teplem ve spalovací komoře se vyrábí sytá pára) – ohniště může být roštové GF, práškové PCF, s bublinkovou fluidní vrstvou BFB, s cirkulující fluidní vrstvou CFB, ale též pro spalování plynných a kapalných paliv. Jak je zřejmé, tak pro spalování se u FES používá některé s vhodných a osvědčených provedení spalovací komory klasických kotlů – tím ale podobnost s běžnými kotli prakticky končí.
Pro volbu teploty spalin na konci spalovací komory CHSK platí stejné zásady jako u klasických kotlů, před vstupem do komína se spaliny čistí od TZL např. v elektrostatickém odlučovači, pro splnění emisního limitu SO₂ je zařazeno odsiřovací zařízení DeSO_x a u ohniště jsou uplatněna potřebná primární opatření.
Jak je vidět na obr. 2 [4] tak optimální kompresní poměr kompresoru plynové turbíny PLT se pohybuje na hodnotě 12 až 14, takže vzduch 1 nasávaný kompresorem se stlačí např. na 12bar a smísí se s sytou párou vyrobenou ve výparníku (stěny CHSK) – tlak páry v parním bubnu výparníku se nastavuje podle tlaku vzduchu za kompresorem. Vzniklá parovzduchová směs „pvs 3“ s obsahem páry asi 12 až 20 % se pak spalinami vystupujícími z CHSK ohřívá v ohříváku parovzduchové směsi OPVS na pracovní teplotu vstupního média do plynové turbíny PLT, např. na 800 °C.

Obr. 2 - Závislost účinnosti na kompresním poměru

Po expanzi parovzduchová směs 5, v naznačeném provedení, vstupuje do kotle na odpadní teplo HRSG, který je součástí klasického parního Rankinova-Clausiova oběhu. V kotli HRSG se parovzduchová směs ochladí na teplotu rosného bodu, vzduch se zbytkovou vlhkostí 6 se vypouští do okolí a odloučený kondenzát se vrací do chladícího okruhu ChSK. Pro vychlazení spalin na výstupní teplotu do komína je za OPVS zařazen klasický ohřívák spalovacího vzduchu OSV, případně i klasický ohřívák napájecí vody napájené do výparníku CHSK. Chlazená spalovací komora CHSK, ohřívák parovzduchové směsi OPVS a ohřívák spalovacího vzduchu tvoří jeden celek, který můžeme nazvat parovzduchový generátor PVG.
Z hlediska dopadu na životní prostředí je FES srovnatelný s dnes používanými nebo vyvíjenými technologiemi pro spalováni tuhých paliv. Při spalování se vzduchem jsou emise stejné jako u stávajících kotlů spalujících tatáž paliva, lze použít i vyvíjený tzv. bezemisní cyklus, pokud se pro spalování použije kyslík.
Základní myšlenka – využít klasickou technologii spalování pro transformaci primární energie tuhých paliv (uhlí, biomasa, alternativní paliva) a plynných a kapalných paliv (nevhodných pro spalování v plynových motorech) na tepelnou energii parovzduchové směsi,
jakožto pracovního média s parametry vhodnými pro pohon plynové turbíny – je v principu využitelná u všech používaných energetických systémů, schematický jsou možnosti naznačeny na obr. 3.

Obr. 3 - Možnosti využití FES

FCS – je flexibilní kogenerační systém (Flexible Cogeneration System) využívající uhlí, biomasu i alternativní paliva a je zaměřen na jednotky nižších výkonů.

HRFES – je energetický systém využívající teplo odpadních plynů (Heat Recovery Flexible Energy Systém), např. za různými tepelnými agregáty v hutích.

CCCC – je kombinovaný paroplynový cyklus se spalováním uhlí (Coal Combustion Combi Cycle) pro elektrárenské bloky nejvyšších výkonů

Flexibilní kogenerační systém FCS, jak z názvu vyplývá, je zaměřen na kogenerační výrobu energie, ovšem tyto jednotky jsou koncepčně řešeny pro výrobu elektřiny, ale s možností jednoduše realizovat současně i dodávku tepla, a to od minimálního výkonu, např. od nuly, až do požadovaného maxima. U těchto jednotek tedy nemusí být (resp. není) dodávka elektřiny podmíněna dodávkou tepla. Obecně platí, že při dodávce tepla lze volit teplonosné médium (pára, voda), velikost tepelného výkonu i teplotní úroveň, jsou možné i různé kombinace. Tento systém může být dodáván ve dvou provedeních, a to jako:
• menší jednotky s plynovou turbínou s regenerací tepla,
• větší jednotky s kombinovaným Braytonovým a Rankinovým-Clausiovým cyklem.

FCS s plynovou turbínou s regenerací tepla při spalování biomasy je naznačen na obr. 4. Podle uvedeného zapojení se biomasa (samostatně) spaluje v klasické chlazené spalovací komoře CHSK s ohništěm roštovým GF nebo fluidním s bublinkovou fluidní vrstvou BFB, případně s cirkulující fluidní vrstvou CFB. Samozřejmě, že lze použít i vhodné ohniště se spoluspalováním nebo s přídavným spalováním uhlí a biomasy.
Vzduch pro spalování se předehřívá spalinami v ohříváku spalovacího vzduchu OSV, spaliny se čistí v elektrostatickém odlučovači EO.
Vzduch vz z kompresoru plynové turbíny PLT se předehřívá v regeneračním výměníku RgV parovzduchovou směsí pvs vystupující z plynové turbíny PLT a mísí se se sytou párou sp vystupující z výparníku spalovací komory CHSK. Parovzduchová směs z výstupu PLT částečně ochlazená v RgV se dále ochlazuje na výstupní teplotu v chladiči parovzduchové směsi ChPVS – při ochlazování vzniklý kondenzát se shromažďuje v napájecí nádrži NN a používá se jako napájecí voda pro chlazení stěn CHSK. Při spalování uhlí se uvedené schéma nemění, ale kromě uvedených ohnišť na obr. 4 se může použít práškové ohniště PCF, pro spalování plynných kapalných paliv pak ohniště pro kapalná či plynná paliva G/OF. U FCS s kombinovaným cyklem se zapojení neliší od zapojení na obr. 1.

Obr. 4 - Jednotka s plynovou turbínou s regenerací tepla

Flexibilní energetický systém pro využití odpadního tepla HRFES lze aplikovat u různých tepelných agregátů pro využití jejich odpadního tepla k výrobě elektřiny, případně ke kogenerační výrobě energie – i v tomto případě platí, že dodávka elektřiny není vázána na dodávku tepla. Možné schéma zapojení je znázorněno na obr. 5.

Obr. 5 - Zapojení pro využití odpadního tepla

Vzduch na výstupu z kompresoru plynové turbíny PLT se ochladí vstřikem kondenzátu 11 na vstupní teplotu 3 do regeneračního výměníku RgV a vzniklá parovzduchová směs pvs se po ohřátí v RgV na teplotu 4 opět vstřikem kondenzátu 11 ochladí na vstupní teplotu 5 parovzduchové směsi do ohříváku parovzduchové směsi OPVS.
V tomto se ohřeje spalinami z tepelného agregátu TA na pracovní teplotu 6 parovzduchové směsi plynové turbíny PLT a po expanzi se parovzduchová směs o teplotě 7 ochladí v regenerativním výměníku RgV na výstupní teplotu 8, která se dále v chladiči parovzduchové směsi ChPVS sníží na výstupní teplotu 9 a vypouští se do ovzduší. Jako chladící médium v ChPVS se použije vstřikovaný kondenzát 11.
Pokud má TA odparné chlazení, tak vyrobená sytá pára se v oběhu využije, smíchá se s parovzduchovou směsí před nebo za regenerativním výměníkem RgV.
Kombinovaný cyklus se spalováním uhlí CCCC využívá kombinovaný Braytonův a Rankinův-Clausiův parní cyklus u velkých elektrárenských bloků, možné jsou podkritické i nadkritické parametry páry. Základní schéma zapojení je podobné, jako je schéma na obr. 1.
Výhodou systému CCCC je, že je kompatibilní (není tedy konkurenční) jak se současnými elektrárenskými bloky s podkritickými i nadkritickými parametry tak i nově vyvíjenými systémy, jako jsou např. IGCC nebo tzv. bezemisní technologie CCS (Carbon Capture and Storage), které dnes představuje tzv. Oxyfuel Proces nebo technologie zachycování CO₂ před spalováním (pre-combustion capture) či po spalování (post-combustion capture). Totéž platí i pro v USA vyvíjený systém CES (Clean Energy System) – pokud bude jako palivo použité uhlí.

Závěr
Flexibilní energetický systém FES:
• Umožňuje aplikovat Braytonův cyklus nebo kombinovaný Braytonův a Rankinův-Clausiův cyklus při:
 spalování tuhých paliv, jako je: 
  - uhlí 
  - biomasa
  - alternativní paliva
 spalování plynných a kapalných paliv nevhodných pro plynové motory
 využití odpadního tepla
• Umožňuje
 klasický elektrárenský provoz
 kogenerační provoz
   - nezávislá dodávka elektřiny na dodávce tepla
   - dodávka tepla dle potřeby
• Používá pro spalování a dodržení podmínek ochrany životního prostředí:
 osvědčené technologie
 perspektivně i nově vyvíjené technologie – včetně separace CO2
• Dosáhne se vyšší hmotnostní průtok plynovou turbínou
 sníží se kompresní práce
 zvýší se disponibilní práce turbíny
• Zvýší se celková účinnost transformace primární energie

Literatura
[1] Vilimec, L.: Úvodní studie flexibilního energetického systému FES s parovzduchovým cyklem se spalováním pevných paliv, Vitkovice Heavy Machinery a.s., 2006.
[2] Vilimec, L.: Stárek, K; Kadrnožka, J.: PV – 2007 – 340, Způsob výroby elektřiny s plynovou turbínou z pevných paliv i z odpadního tepla a zařízení k provádění tohoto způsobu.
[3] Ubrá, O; Laciok, A.: Technické možnosti řešení vypouštění emisí CO2 z elektráren s kotli na fosilní paliva, All for Power 2/2007, str. 15-24.
[4] Kadrnožka, J.: Analýza a studie proveditelnosti parovzduchové kogenerační centrály, Vitkovice Heavy Machinery a.s., 2006.

Autor

• doc. Ing. Vilímec Ladislav