Parní turbíny pro solární aplikace

O zhruba sto let později již po celém světě probíhá celá řada projektů, které využívají solární energii jako jeden z možných ekologických zdrojů. Že tento trend bude dále pokračovat, naznačuje i soubor doporučení k energetické politice EU, které přijal Evropský parlament 3. února 2009. Ten doporučuje do roku 2050 zvýšit podíl obnovitelných zdrojů na 60 % celkové spotřeby. Jak je patrné z textu níže, všechny velké projekty se uskutečňují minimálně za politické podpory vlád daných zemí.
V České republice podíl obnovitelných zdrojů na celkové netto produkci v roce 2008 dosáhl pouze 4,7 % (zdroj: ČIA). Přesto i u nás se tento podíl zvyšuje a nejvíce právě v oblasti využití větrné a sluneční energie. V ČR bylo v roce 2008 již 310 solárních elektráren s výkonem celkem 4,85 MW. U nás se z důvodu nízké intenzity slunečního záření používají fotovoltaické články, ve světových lokalitách s vyšší intenzitou je častěji využívaná technologie CSPconcentrated solar power (koncentrovaná sluneční energie).
Sluneční energie je soustavou zrcadel koncentrována na výměník tepla, ve kterém se ohřívá teplonosná látka, nebo pracovní médium tepelného cyklu. Důvodem, proč investoři v oblastech s vyšší intenzitou slunečního záření dávají přednost technologii CSP, je plocha potřebná pro fotovoltaické články a nízká životnost článků, která činí tuto technologii pro větší výkony nepoužitelnou. I proto bychom rádi přiblížili několik aktuálních projektů z celého světa, které představují další technologie využití solární energie ve slunečním pásu s větší intenzitou slunečního svitu.

Nevada - parabolické žlaby
Jeden z významných nedávných projektů zajišťuje společnost Solargenix Energy. Jedná se o výstavbu solární elektrárny v nevadské poušti, třetí největší na světě. Specifikem projektu Nevada Solar je využití technologie zrcadlových polí sestavených z modulů ve tvaru parabolických žlabů. Sluneční elektrárna se rozkládá na ploše 1,6 km² v Eldorado Valley mezi městy Las Vegas a Phoenix. Tato elektrárna pracuje na principu CSP. Parabolické zrcadlové žlaby díky řídicímu systému mění svou orientaci dle pohybu slunce a jsou tak schopny zachytit jeho paprsky již 10° nad obzorem.
Zářivý tok se pomocí parabolických zrcadel koncentruje na dvouplášťové skleněné potrubí s olejem, které je vedeno v ohnisku po celé délce zrcadlového žlabu. Mezi dvěma plášti potrubí je kvůli maximální tepelné izolaci pasivní vakuum. Výrobce garantuje udržení vakua po dobu 20 let bez jakéhokoli evakuačního zařízení. Absorbované sluneční záření zahřívá teplonosný olej v potrubí až na 400 °C, což je limitní teplota, nad níž nastává rychlá degradace oleje. Ten je veden do výměníku (generátoru páry), kde se vytváří pára o teplotě 371 °C. Energie páry je zpracována pomocí dvoutělesové průmyslové parní turbíny Siemens řady SST-700 s přihříváním o nominálním výkonu 72 MWe a maximálním výkonu 74 MWe. Parní turbína je připojena na generátor o výkonu 13,7 kV, 60 Hz, který přes transformátor dodává elektřinu o 230 kV do rozvodné sítě. Vyexpandovaná pára kondenzuje a kondenzát je čerpán soustavou podávacích a napájecích čerpadel zpět do výměníku (generátoru páry). Šetrné vodní hospodářství je zvláště v pouštní oblasti mimořádně důležité, proto investoři upustili od původní myšlenky využití mokré chladicí věže. Kondenzátor parní turbíny je tedy chlazen vzduchem. Tento projekt se podařilo prosadit díky podpoře státu Nevada, který směřuje svou energetickou politiku na obnovitelné zdroje a rozhodl, že do roku 2015 musí být 20 % energie z obnovitelných zdrojů. Solární energie má z toho tvořit nejméně 5 %. V případě potřeby (např. nedostatku slunečního záření nebo nutné údržby a čištění zrcadel) je možné část tepla předat do tepelného cyklu plynovým kotlem, který ale nesmí vyrobit více než čtvrtinu roční produkce. Jinak by zařízení nesplňovalo podmínky státní podpory.
 

Kalifornie - solární věže
Dalším zajímavým projektem je první komerční solární elektrárna s technologií solární věže v USA. Investor, firma BrightSource Energy, Inc., se rozhodl postavit elektrárenský komplex ve svém centru Ivanpah Solar Complex v jižní Kalifornii. Ten by měl od konce roku 2011 dodávat energii pro více než 35.000 domácností. Díky možnosti přímé výroby páry v solární věži se celková účinnost solární elektrárny zvýší ze standardních 14 na zhruba 23 %. Jak je to možné? Díky neexistenci dalšího teplonosného média (oleje) je teplota dosažená ve výměníku na úrovni parametrů parních turbín v cyklech s kotli na fosilní palivo (nad 520 °C). Koncentrovaný zářivý tok ohřívá vnější povrch ozářených částí výměníku tepla místně až na 1 300 °C, což je příčina zvýšení účinnosti cyklu oproti CSP s olejem, kde je teplota limitována zhruba 400°C.
Současné trendy u technologie s parabolickými zrcadly se snaží také o přímou výrobu páry bez zprostředkujícího teplonosného oleje. Za vyšší účinnost se ale také platí i vyšší cenou. Zatímco u parabolických zrcadlových žlabů se předpokládají náklady 200-250 €/m², u solárních věží je to 250-300 €/m².
Ivanpah Solar Complex se skládá ze tří solárních elektráren, z nichž každá má svou solární věž a pole s heliostatickými zrcadly. Dvě elektrárny o výkonu 100 MW se budou rozkládat na ploše o rozloze 3,4 km² každá. Třetí elektrárna o výkonu 200 MW bude potřebovat zhruba 6,5 km². Včetně administrativního centra zabere celý komplex zhruba 14 km².
Každé ze zrcadel těchto solárních elektráren bude mít plochu zhruba 7m² a díky řídicímu systému budou každé samostatně sledovat pohyb slunce. V této technologii výměník (generátor páry) na vrcholu vysoké tzv. solární věže přeměňuje vodu na přehřátou páru o teplotě vyšší než 520 °C. Stlačená pára pohání parní turbínu Siemens SST-900 s přihříváním o výkonu 123 MW. Součástí cyklu v Ivanpah bude i plynový kotel, který bude zajišťovat hladší rozběh turbíny při každodenním ranním startu. Výška solární věže je značná, přes 100 m. Důvodem je aby i nejvzdálenější zrcadla bezpečně odrážela záření na výměník na vrcholu věže. V této souvislosti je nutno zmínit potenciální nebezpečí při poruše řídicího systému orientace zrcadel. Při soustředění na jinou než chlazenou část věže (generátor páry) by mohlo snadno dojít k roztavení, vznícení, atd. Je tedy nezbytné zabránit pohybu osob v blízkosti ohniska zrcadel na vrcholu věže z důvodu rizika popálení. Stejně jako u předchozího projektu je i zde kladen velký důraz na minimalizování ztrát vody. Kondenzátor je tedy vzduchem chlazený a nejvíce vody se spotřebuje na umývání zrcadel. Každá ze tří elektráren komplexu má k dispozici nádrž s 950.000 litry vody pro běžnou spotřebu a další se zhruba 380 000 litry pro potřeby elektrárny a hasičské účely.

Španělsko - největší evropský projekt
V Evropě leží ve slunečním pásu s vysokou intenzitou záření především Španělsko. Zde se rozhodli v projektu Andasol využít parabolických zrcadel ve tvaru žlabu na ploše odpovídající zhruba 70 fotbalovým hřištím (cca 510.000 m²). Po dokončení bude schopna pokrýt spotřebu energie až 200.000 osob.
Ke skladování tepelné energie se zde používají dvě  nádrže s roztavenou solí, která je schopna uchovat energii a 6-7 hodin provozu turbíny na plném výkonu. Náplň akumulátorů je 25.000 tun roztavené soli o složení 60 % NaNO₃ a 40 % KNO₃. Teplota nádrží se pohybuje mezi 292-384 °C a skladovací kapacita je až 880 MWh.
Účinnost přeměny sluneční energie na elektrickou dosahuje 25 %, ročně v průměru 14,7 %. I při této účinnosti ušetří elektrárna díky „obnovitelnému zdroji paliva“ oproti stejně výkonné uhelné 150 mil. kg CO₂ ročně.
Tento i jiné projekty ve Španělsku bylo možné uskutečnit díky podpoře vlády, která stanovila zvýhodněný tarif pro výkup elektrické energie ze solárních zdrojů na 25 let. Tato podpora se vztahuje na jednotky o výkonu max. 50 MW, což vysvětluje, proč výrazně vzrostly objednávky turbín Siemens právě tohoto výkonu. Například Grupo Iberica v lednu letošního roku oznámila, že chce do roku 2012 zahájit osm projektů o tomto výkonu. Nicméně vláda si vymínila, že až bude v zemi instalováno prvních 500 MW v těchto aplikacích, provede revizi tarifu. Vláda také omezuje možnost využití plynového kotle jako náhradního zdroje energie, a to na max. 15% ročního výkonu.
 

Alžír - hybridní elektrárna se solárním kombinovaným cyklem
Alternativou k výše zmíněným technologiím, jejichž tepelný cyklus je v podstatě založen na Rankine-Clausiově cyklu, je solární kombinovaný tepelný cyklus (ISCCS - intergrated solar combined cycle system), integrující solární energii jako jednu z forem energií vstupujících do cyklu paroplynové elektrárny. Příkladem je hybridní elektrárna postavená blízko Hassi R´Mel v Alžíru, jedna ze dvou na světě (druhá je Aïn Béni Mathar v Maroku). Solární část elektrárny o rozloze 180.000 m² a výkonu až 25 MW pracuje na principu CSP. Spolupracuje s 130 MW elektrárnou s kombinovaným cyklem a vytváří tak zdroj o výkonu přibližně 150 MW. Tak se podařilo oproti klasické elektrárně dosáhnout snížení emisí CO₂ v poměru výkonů solární a klasické části.
V tomto projektu je použitá jednotělesová vysokotlaká turbína řady SST-900 bez přihřívání o výkonu 81 MW upravená pro potřeby kombinovaného cyklu. Dvě plynové turbíny v tomto cyklu jsou také z dílen Siemens, řady SGT- 800 o výkonu 47 MW každá. Klasická elektrárna využívající kombinovaný cyklus s plynem jako palivem dosahuje účinnosti 50-55 %. U ISCCS je do cyklu zařazen další výměník, který využívá energii uchovávanou v nádržích s roztavenou solí. Z ekonomického pohledu se díky energii slunce s nulovými náklady na „palivo“ výtěžnost jeví u ISCCS elektrárny vyšší než 70 %. I v Alžíru je patrná politická podpora vlády, která deklaruje, že v roce 2010 chce dosáhnout 500 MW instalovaných v ISCCS technologiích.

Specifika parních turbín pro solární aplikace
Ve výše zmíněných projektech byly využity parní turbíny Siemens řady SST-700 a SST-900, které splňují náročné požadavky provozu v solárních elektrárnách. Technologie CSP je spojena s vysokými pořizovacími náklady a provozní hodiny jsou omezené, základním požadavkem je vysoká účinnost již od počátku. Proto Siemens úzce spolupracuje se zákazníky a dle jejich požadavků upravil řadu turbín SST-700 s přihříváním s výkonem až 170 MW. Kromě provozu ve dne je samozřejmě možné v hodinách s nižší intenzitou slunečního záření pro pohon turbíny využít tepelnou energii uschovanou v nádržích s roztavenou solí. Takto může elektrárna pracovat i 15 hodin bez slunečního záření (např. v projektu Torresol v Andaluzii, Španělsko).
Specifikem turbín pro solární aplikace je nutnost každodenního startu, který musí proběhnout velice rychle. Právě řada SST-700 má lehký rotor diskového typu a modifikovanou skříň pro snížení termálních napětí. Zároveň má tento typ i nízký minimální výkon, který umožňuje maximální množství provozních hodin bez čerpání tepla uschovaného v roztavené soli v akumulátoru. Cyklus je optimalizovaný pro vypnutí během části noci. Vysokotlakový modul turbíny byl původně určen pro pohon lodí. Kvůli potřebné vysoké účinnosti pracuje při otáčkách 8.960 ot./min. Barelová skříň je teplotně přizpůsobivá, umožňuje rychlý start i ochlazení. Nízkotlakový modul je přímo spojený s generátorem, pracuje při 3.000 ot/min. Je vybaven kondenzačními stupni s vysokou účinností. Pro technologie se solární věží se používá jednostupňová turbína SST-900 s axiálním výstupem o výkonu až 180 MW. Siemens je dominantním dodavatelem parních turbín pro solární elektrárny a již získal objednávky na více než 45 technologicky upravených turbín s výkonem 1,5-123 MW. Přestože Siemens v oblasti solárních aplikací vládne trhu parních turbín, nehodlá usnout na vavřínech. V lednu letošního roku byl schválen vývojový projekt, který má za cíl dále zlepšit parametry turbín výše zmíněných produktových řad.

Elektrárenský komplex Ivanpah ve svém centru Ivanpah Solar Complex v jižní Kalifornii

Jednotělesová vysokotlaká turbína řady SST-900

Absorbované sluneční záření zahřívá teplonosný olej v potrubí až na 400 °C, což je limitní teplota, nad níž nastává rychlá degradace oleje

Moduly ve tvaru parabolických žlabů

Sluneční elektrárna se rozkládá na ploše 1,6 km² v Eldorado Valley mezi městy Las Vegas a Phoenix

SST-900

In the Czech Republic, the proportion of renewable resources on total net production in 2008 accounted for only 4.7 % (Source: ČIA). Despite the fact, the proportion is increasing ainly in the area of utilizing solar and wind energy. In the Czech Republic in 2008 there were already 310 solar power plants with total output of 4.85 MW. Due to low sun adiation intensity in our country, the photovoltaic cells are used, worldwide in locations ith higher solar intensity the technology of CSP- concentrated solar power is used. Solar nergy is a system mirrors concentrated on the heat exchanger where the heat carrier is eated or the work medium of thermal cycle. We would thereofe like to introduce some urrent projects from around the world which shall represent another technology of utilizing olar energy in solar line with higher intensity of sunlight.

В Чешской Республике составила доля обновительных источников от общего количества нетто продукции в 2008 году только 4,7 % (литература: ЧИА). Поэтому у нас та доля повышается и более всего как раз в области использования ветряной и солнечной энергии. В ЧР было в 2008 году уже 310 солярных электростанций с общей ощностью 4,85 MВт. У нас по причине низкой интенсивности солнечного излучения рименяются солнечные батарейки, а в странах, где большая интенсивность солнечного излучения, применяется технология CSP- concentrated solar power (концентрированная солнечная энергия). Солнечная энергия – это система зеркал, сконцентрированная на теплообменнике, в котором нагревается теплоноситель или рабочая реда теплового цикла. В связи с этим мы более подробно представили бы несколько актуальных проектов со всего мира, которые отражают другие технологии применения солярной энергии в солнечных поясах с большей интенсивностью солнечного излучения.

Autoři

• Mgr. Kuchtová Lenka MSc.
• Ing. Kořista Milan PhD.