ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIE BIOMASY

ENERGETYCZNE

WYKORZYSTANIE

BIOMASY

Wykonali:

Andrzej Trzos
Jerzy Szatan

Sem. VI Studia niestacjonarne
Systemy Energetyki Cieplnej 2009

Wstęp

Energetyczny potencjał biomasy możliwy do

technicznego wykorzystania jest szacowany

na poziomie od 37% do ponad 50%

potencjału wszystkich odnawialnych zasobów

energii. Są to najczęściej oceny szacunkowe,

jednak niezależnie od źródła informacji,

biomasie jest niezmiennie przypisywany

największy udział wśród tzw. „energii
odnawialnych”.

Wstęp

Spalanie biomasy może być prowadzone

samodzielnie w odpowiednio
przystosowanych do tego celu kotłach lub
realizowane jako proces współspalania z
rożnymi rodzajami paliw
konwencjonalnych, z przeznaczeniem
pozyskiwanego ciepła na potrzeby
centralnego ogrzewania, przygotowania
ciepłej wody użytkowej oraz zasilania
elektrowni lub elektrociepłowni.

Elektrownia z obiegiem
organicznym zasilana parą
wodną
z kotła opalanego biomasą

Instalacja, której schemat przedstawia

następny slajd, jest współzasilana

niskotemperaturowym odpadowym

nośnikiem ciepła doprowadzanym z układu

zewnętrznego (z innej instalacji).

Strumień ciepła odpadowego

doprowadzany

jest do wymiennika oznaczonego jako P–II,

a na jego wielkość ma wpływ przede

wszystkim rodzaj czynnika roboczego

zastosowanego w obiegu siłowni.

W układzie analizowanej elektrowni hybrydowej

można wyróżnić trzy zasadnicze bloki

funkcjonalne, to jest:

–

jednoobiegową siłownię z czynnikiem

organicznym

;

–

system wodno-parowy

obejmujący kocioł parowy

wytwarzający parę nasyconą suchą, kierowaną do

wymiennika typu skraplacz–parowacz, połączony

cieplnie z obiegiem siłowni organicznej;

–

przeciwprądowy wymiennik ciepła

zasilany

strumieniem niskotemperaturowego nośnika

ciepła, jaki jest do dyspozycji w zależności od

rodzaju przyjętego rozwiązania.

Siłownia z organicznym
obiegiem Rankine’a (ORC) z
regeneracją ciepła

Rozpatrywana instalacja służąca do

kogeneracyjnego wytwarzania energii
elektrycznej i ciepła może być zasilana energią
biomasy spalanej w kotle z olejowym
nośnikiem ciepła lub innym
średniotemperaturowym nośnikiem energii.
Kocioł jest sprzężony cieplnie z siłownią ORC
poprzez czynnik pośredniczący, którym jest
tzw. olej termalny będący nośnikiem ciepła
między kotłem i wymiennikami, stanowiącymi
integralną część instalacji siłowni.

Schemat siłowni ORC z
regeneracją ciepła

W skład analizowanej siłowni ORC

wchodzą:

– wymiennik ciepła, w którym

następuje podgrzewanie i

odparowanie czynnika

organicznego,

– turbina parowa, która napędza

generator prądu elektrycznego,

– regenerator ciepła, w którym

obniżająca swą temperaturę

para czynnika organicznego

podgrzewa ciecz czynnika

organicznego,

– skraplacz, w którym podgrzewana

jest woda sieciowa zasilająca

odbiorniki ciepła,

– pompa obiegowa, która przetłacza

organiczny czynnik roboczy.

Podstawowa zaleta siłowni ORC odróżniająca ją od
siłowni klasycznej, w której czynnikiem obiegowym
jest woda, wynika z rożnych właściwości cieplno-
fizycznych wody jako czynnika obiegowego oraz
używanych czynników organicznych.
Te ostatnie, przy realizacji obiegu C–R, umożliwiają
wykorzystanie nośników ciepła oraz górnych źródeł
ciepła o znacznie niższej temperaturze, tj. takich, w
których stosowanie obiegu wodno – parowego byłoby
mało sprawne i stosunkowo trudne do realizacji ze
względu na duże strumienie objętości pary w
obszarach niskiego ciśnienia, w wyniku czego
należałoby stosować instalacje o dużych wymiarach,
co byłoby równoznaczne z podwyższeniem kosztów
inwestycyjnych.
Poza wyżej wymienioną zaletą, siłownie ORC
charakteryzują się zwartą budową i niewielką ilością
elementów składowych. Poza tym siłownie małej i
średniej wielkości mogą być uruchamiane zdalnie i
sterowane bez udziału obsługi.

W przypadku kogeneracyjnego wytwarzania ciepła i prądu
elektrycznego temperatura skraplania zawiera się w
granicach od 80 – 90°C, a skraplacz chłodzony jest wodą
sieciową sieci ciepłowniczej zasilającej odbiorniki
centralnego ogrzewania.
W przypadku elektrowni ORC temperatura skraplania
uwarunkowana jest rodzajem zastosowanego sposobu
chłodzenia skraplacza (woda ze zbiornika, woda z chłodni
kominowej, powietrze).
Przed skierowaniem do skraplacza czynnik organiczny
kierowany jest do regeneratora, w którym następuje
regeneracyjna wymiana ciepła mająca na celu podgrzanie
strumienia czynnika kierowanego do parowacza i
schłodzenie strumienia czynnika kierowanego do
skraplacza. Istnieje także możliwość wykorzystania spalin w
ekonomizerze poprzez wstępne podgrzanie wody sieciowej
przed skierowaniem jej do skraplacza. Może być także
stosowane rozwiązanie, w którym powietrze podgrzewane
jest energią spalin opuszczających kocioł przed
skierowaniem go do kotła parowego.

Kotły z olejowym nośnikiem ciepła zasilane
biomasą
i ich zastosowanie w elektrowniach ORC

W wielu gałęziach przemysłu, a w szczególności w
przemyśle chemicznym i rolno-spożywczym realizowane
są liczne procesy technologiczne wymagające
zapewnienia odpowiednio wysokiej temperatury. W
procesach takich, jak np. podgrzewanie, odparowanie
czy suszenie, do odpowiednich odbiorników ciepła
doprowadzana jest energia z wykorzystaniem nośników
w postaci pary lub gorącej wody o wysokim ciśnieniu.
Do niedawna zarówno para wodna jak i gorąca woda
były przygotowywane w odpowiednich kotłach
wysokociśnieniowych. Obecnie coraz częściej zamiast
pary wodnej i gorącej wody stosowane są inne nośniki
ciepła, którymi może być np. olej termalny, a
wysokociśnieniowe kotły wodne i parowe są
zastępowane kotłami z olejowym nośnikiem ciepła.

Stosowanie tego typu kotłów ma szereg zalet w
stosunku do dotychczasowych rozwiązań, do
których w pierwszej kolejności można zaliczyć
bezpieczną pracę ze względu na brak
nadciśnienia w instalacji, co sprawia, że
urządzenia te są wyłączone spod nadzoru UDT.
Poza tym w odróżnieniu od instalacji parowych
wodnych nie występuje w nich proces
osadzania kamienia kotłowego.
W tym ostatnim przypadku w instalacji nie
muszą być stosowane urządzenia zmiękczające
wodę. Jeśli dodatkowo uwzględnić brak
skomplikowanej aparatury i urządzeń
zabezpieczających kotły z olejowym nośnikiem
ciepła, to koszt ich wykonania jest niższy niż w
przypadku kotłów parowych i wodnych.

Elektrociepłownia pracuje według
uproszczonego schematu pokazanego na
poprzednim slajdzie, który obejmuje trzy obiegi
sprzężone cieplnie, to jest:
–

obieg olejowy

, w którym olej termalny jest

nośnikiem ciepła pozyskiwanego w wyniku
spalania biomasy w kotle;
–

obieg czynnika roboczego

w siłowni

– w tym

przypadku zastosowano olej silikonowy, który
podlega odpowiednim procesom wynikających z
przemian termodynamicznych obiegu
porównawczego Clausiusa–Rankine’a;
–

obieg wody sieciowej

będącej nośnikiem

ciepła w sieci ciepłowniczej, krążącej między
skraplaczem siłowni ORC i odbiornikami ciepła
na cele c.o. i c.w.u. oraz na cele technologiczne.

Wizualizacja siłowni ORC

Wizualizacja siłowni ORC firmy

Turboden o mocy 1000kWel

zainstalowanej w Lienz

1 – regenerator,
2 – skraplacz,
3 – turbina,
4 – generator elektryczny,
5 – pompa obiegowa,
6 – podgrzewacz,
7 – parowacz,
8,9 – odpływ i dopływ gorącej

wody,

10,11 – dopływ i odpływ oleju

termalnego

Pierwsza w Polsce elektrociepłownia ze skojarzonym
wytwarzaniem ciepła i energii elektrycznej z siłownią ORC
zasilaną pośrednio z kotła opalanego biomasą została
zbudowana przez Ostrowski Zakład Ciepłowniczy S.A. w
Ostrowie Wielkopolskim.
Przedmiotem działalności OZC S.A. jest zaopatrzenie w
ciepło i energię elektryczną odbiorców na terenie miasta i
regionu. Doprowadzanie ciepła realizowane jest za pomocą
sieci ciepłowniczej o łącznej długość 49,7 km, w tym 25,7
km wykonane w nowoczesnej technologii preizolowanej, w
skład której wchodzą dwa połączone ze sobą układy
pierścieniowe, co gwarantuje duże bezpieczeństwo
zasilania. Sieć ciepłownicza współpracuje z dwoma
niezależnymi źródłami obejmującymi źródło podstawowe,
to jest elektrociepłownią Ostrów składającą się z pięciu
kotłów węglowych WR-10 i dwóch kotłów gazowo-
olejowych Condor oraz układ skojarzony z turbiną gazową i
kotłem odzysknicowym.
Moc całkowita instalacji wynosi odpowiednio 102 MWt i 5
MWel.

Moduł agregatu siłowni ORC o mocy cieplnej 7,3
MWt i mocy elektrycznej 1,5 MWel jest zasilany z
kotła o mocy cieplnej 9 MWt i sprawności 79%,
charakteryzującego się normatywnym zużyciem
paliwa równym 124 kg/GJ. Temperatura
olejowego nośnika
ciepła na zasilaniu i powrocie wynosi
odpowiednio 310/250°C. Siłownia charakteryzuje
się wysoką dyspozycyjnością (99,1%) i
elastycznością pracy (od 10%) oraz
sprawnością dochodzącą do 40%. Jej zaletą
jest bezobsługowa praca.

Osiągi eksploatacyjne siłowni ORC są
następujące:
– roczna produkcja ciepła – 190 tys. GJ;
– roczna produkcja energii elektrycznej – 10 800
MWh;
– roczne zużycie biopaliwa o wartości opałowej
19,2 MJ/kg – 30800 ton.

Współpracujące ze sobą wirniki silnika
śrubowego zamocowane są na dwóch różnych
wałach osadzonych we wspólnej obudowie.
Wirniki te obtaczają się po sobie wewnątrz
przylegającego do nich kadłuba. Czynnik
roboczy (sprężony gaz lub para czynnika)
doprowadzany jest do przestrzeni roboczej
przez otwór wlotowy, który znajduje się
w górnej pokrywie, przy czym zwiększenie
objętości przez czynnik wywołuje obroty
wirnika.
Silniki śrubowe mogą być rekomendowane
do wykorzystania w siłowniach w zakresie
mocy od 20 do 1500 kWel. Należy zauważyć,
że zakres ich stosowania jest ograniczony do
ciśnień 1 – 3 MPa, co stanowi istotną ich wadę.

Czasami zamiast turbiny, szczególnie w instalacjach małej mocy,
do napędu generatora można stosować tzw. silniki ślimakowe .
Zaletą silników tego typu jest zwarta budowa, niskie koszty
eksploatacyjne, długa żywotność oraz mała wrażliwość na stan
pary. Należy nadmienić, że zarówno w silnikach śrubowych, jak i w
ślimakowych, jako czynnik roboczy może być stosowana para
nasycona mokra, para nasycona sucha oraz para przegrzana.

Podsumowanie

Na podstawie prowadzonych licznych analiz dotyczących
wykorzystania odnawialnych źródeł energii można określić
prognozowaną strukturę ich użycia przewidując, że
głównymi przyszłościowymi źródłami energii odnawialnej
będą biomasa, energia słoneczna, energia wiatru i energia
geotermalna. Z licznych zestawień wynika jednoznacznie,
że pierwszą pozycję będzie prawdopodobnie nadal
zajmować energia pozyskiwana z biomasy.
Najprostszym sposobem utylizacji biomasy jest jej spalanie
lub współspalanie z innymi rodzajami paliw, z
przeznaczeniem pozyskiwanego ciepła na cele c.o, c.w.u
oraz do zasilania elektrowni lub elektrociepłowni.
Ważnym rozwiązaniem jest wykorzystanie biomasy do
wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w siłowniach
parowych z czynnikami organicznymi (ORC). Istniejące i
funkcjonujące instalacje tego typu wskazują, że jest to
perspektywiczny kierunek rozwoju energetyki opartej na
wykorzystaniu biomasy.

Document Outline