Optimalt nyttjande av exergipotentialen i bränslen och förnybar energi med kombikraftverk

Transkript

1 Optimalt nyttjande av exergipotentialen i bränslen och förnybar energi med kombikraftverk Rubriken skulle även kunna lyda: Användning av icke förnybar energi för optimal användning av förnybar energi. Värmet i vår omgivning är att betrakta som förnybar energi, trots att temperaturpotentialen är liten eller obefintlig. Omgivningsvärmet kan utnyttjas för uppvärmningsändamål genom insats av arbete arbete som i denna betraktelse helt utgörs av icke förnybar energi, utvunnen från fossila bränslen eller kärnbränsle. Denna indirekta metod kan, sett till helheten, ge ett betydande bidrag till vår miljö, i form av minskade utsläpp av såväl värme som skadliga substanser. Möjligheterna att direkt utnyttja förnybara energikällor som solstrålning, vind och jordvärme är tyvärr rätt begränsade, och den potentiella positiva miljöeffekten liten. Ett undantag utgör naturligtvis vattenkraften som det i vissa länder finns rik tillgång på. Denna artikel syftar naturligtvis på intet sätt att argumentera mot olika sätt att direkt utnyttja förnybar energi. Sådana lösningar ska självfallet alltid väljas i första hand, där de ekonomiska realiteterna så tillåter. D en uttagbara arbetspotential som finns hos fossila bränslen och klyvbart material kallas exergi. Den utvunna exergin är av fysikaliska och naturlagsbetingade skäl alltid lägre än den satsade termiska energin. Med dagens teknik kan 50 till 58% av värmeenergin (värmevärdet) i fossila bränslen omvandlas till exergi vid förbränning i ett storkraftverk. Om värmet utnyttjas direkt för uppvärmningsändamål ligger nyttjandegraden mellan 90 och 100%. Värme för uppvärmning ligger på en låg temperaturnivå, dvs temperaturskillnaden mellan framledningsvattnet och omgivningen är liten. Med andra ord är erforderlig exergiandel hos värmeenergi för uppvärmning liten och med 100% bränsleenergi E går det att leverera flera gånger så mycket uppvärmningsvärme H. I enlighet med Carnot-principen uppgår den teoretiskt maximala mängden tekniskt arbete som går att utvinna från värmeenergi till A = E η C (1) där η C = T max T min <1 (2) T max vilket är detsamma som Carnot-verkningsgraden eller det exergetiska utbytet. Om vi Hans Ulrich Frutschi ABB Kraftwerke A som exempel väljer de båda temperaturerna T max = 1273 K (1000 C) och T min = 273 K (0 C) kommer det teoretiska arbetsutbytet (exergin) hos 100% tillförd värmeenergi att bli A = = 78,56% (3) 1273 Resterande 21,44% försvinner till omgivningen i form av spillvärme på temperaturnivån 0 C. Följaktligen är U = E A (4) I praktiken sker emellertid omvandlingen av värmeenergi till arbete inte under ideala förhållanden, utan det uppstår förluster som medför att den faktiska termiska verkningsgraden hos ett kraftverk ligger på knappt 2 3 av den teoretiska, eller ca 50% utgående från ovan angivna värden. Stora moderna värmekraftverk av kombityp eldade med fossil gas eller olja arbetar med högre T max och når i praktiken verkningsgrader mellan 50 och 58%. Låt oss nu betrakta samma förhållande från uppvärmningssynpunkt och fråga oss: Hur mycket uppvärmningsvärme kan utvinnas från 100% arbete? Redan lord Kelvin, han som gav sitt namn åt den absoluta temperaturskalan, insåg på sin tid att en liten mängd arbete kan ge upphov till en stor mängd värme i en omvänd termodynamisk process. Processen tar upp värme U från omgivningen, höjer dess temperatur till en nivå som gör den användbar för uppvärmningsändamål och adderar den till det värme som motsvaras av det tillförda arbetet A. Totalt står då följande värmemängd till förfogande för uppvärmning H = A + U (5) Här är det uppenbart frågan om den ideala värmepumpsprocessen. Ett exempel med T min = 273 K (0 C) som omgivningstemperatur och T max = 323 K (50 C) som temperatur hos framledningsvattnet ger i enlighet med Carnot-principen låg verkningsgrad. η C = T max T min = = 0,155 (6) T max 323 ABB Tidning 5/

2 Exergiandelen hos denna uppvärmningsvärme är alltså bara 15,5%. För den ideala värmepumpen gäller H = och 1 A = C A (7) η C U = ( C 1) A (8) Den teoretiska Carnot-värmefaktorn i en värmepump motsvarar alltså den inverterade Carnot-verkningsgraden. Följaktligen T C = max > 1 (9) T max T min Icke ideala processförhållanden reducerar värmefaktorn hos en verklig värmepump till knappt 50 % av Carnot-värdet. Med de max- och mintemperaturer på 323 respektive 273 K som vi antagit i exemplet får vi en värmefaktor på ca W 4-s 1-s C 150 C 1-s E 2-s 3-s T U = T H2 O =10 C Effektiva uppvärmningsanläggningar En kombination av kraftverk och värmepump kan skapa mycket effektiva anläggningar för värmeproduktion. En grundläggande princip är att en del av den elektriska energi som genereras i kraftverket matas in i värmepumpar. Låt oss anta att ett modernt värmekraftverk, som tex ett modernt kombikraftverk med gas- och ångturbinaggregat, producerar elektrisk energi med verkningsgraden 56% och att en värmepump som drivs med ström från detta kraftverk har en nettovärmefaktor på 3,5 (inklusive 10% eltransmissionsförluster). En insats på 100% bränsleenergi ger då värme för uppvärmningsändamål enligt följande: H = x A = 3,5 x 56% = 196%. Med andra ord dubbelt så mycket värme som en bra panna. Tabell 1 visar vilka värmemängder som kan produceras med olika kraftverksverkningsgrader och nettovärmefaktorer. Värdena baseras på respektive bränsles undre värmevärde Hu. De värden som kan uppnås med moderna anläggningar är markerade med rött. Värmefaktorer vid värmepumpsdrift och avtappningsdrift E Avtappningsdrift T Temperatur W Värmepumpsdrift T U Omgivningstemperatur T H2 0 Vattentemperatur El/värme-faktor 1-s, 2-s 1-stegs, 2-stegs etc. C Carnot-värmefaktor De viktigaste faktorerna som reducerar verkningsgraden är: Verkningsgrad hos kraftverkets turbin och generator Tabell 1: Värmemängder relativt insatt energimängd som går att uppnå med elektriskt drivna värmepumpar som matas från värmekraftverk η = % 2 H = % 2, % % % % % η H Värmepumpens värmefaktor Kraftverkets verkningsgrad Utvunnen värmeenergi T Verkningsgrad hos värmepumpmotorer och deras kompressor Frågan inställer sig omedelbart om det inte skulle vara effektivare att ta det för upp ABB Tidning 5/1996

3 Kraftvärmekoppling genom ångavtappning i jämförelse med värmepumpsdrift. Ångavtappning på bekostnad av en viss elektrisk effekt ger dubbelt så mycket värmeeffekt som värmepumpsdrift. a Ren elproduktion c Kraftvärmekoppling 350 MW elektrisk effekt 300 MW elektrisk effekt 700 MW spillvärme 350 MW värmeeffekt 400 MW spillvärme b Värmepumpsdrift 300 MW elektrisk effekt 175 MW värmeeffekt 575 MW spillvärme c 1050 MW 350 MW a b 700 MW 350 MW 1050 MW 300 MW 175 MW = MW WP 700 MW 50 MW 575 MW 350 MW 1050 MW 300 MW 350 MW = MW 300 MW 2 värmningsändamål nödvändiga värmet direkt från ångturbinen, vid en ur temperatursynpunkt lämplig punkt. Denna lösning skulle eliminera ovannämnda förluster. Det är just detta som sker vid avtappning av ånga för matning av ett fjärrvärmenät, vilket i detta fall erfordras för att distribuera det avtappade värmet. I stället för den eltransmissionsförlust som ligger inbakad i en värmepumps nettovärmefaktor får vi en värmeförlust på ca 10% i fjärrvärmenätet. Dessutom ligger temperaturnivån i ett fjärrvärmenät betydligt högre än hos framledningsvattnet i ett värmepumpsystem. Detta till trots är ångavtappning betydligt fördelaktigare än värmepumpdrift. 1 visar dels den teoretiska Carnot-effektfaktorn C och dels el/värmekvoten vid ångavtappning som funktion av framledningsvattentemperaturen. Omgivningstemperaturern har satts till 10 C. Även de värmefaktorer som kan uppnås med värmepumpar visas i diagrammet. Det framgår att fjärrvärmeöverföring, trots den betydligt högre framledningstemperatur som fordras, i detta fall ger ca dubbelt så hög värmefaktor som värmepumpar. 2 illustrerar resonemanget med ett ångkraftverk som har en termisk verkningsgrad på 33% (ett äldre kolkraftverk eller ett kärnkraftverk). Bild 2a motsvarar ren elproduktion MW termisk effekt omvandlas till 350 MW elektrisk effekt, medan 700 MW går förlorat i form av spillvärme som vid låg temperatur förs ut till ett kyltorn eller ett vattendrag. Bild 2b visar hur 50 MW elektrisk effekt avdelas för drift av värmepumpsystem på annan ort, med en medelvärmefaktor på 3,5. Detta ger en värmeeffekt på 175 MW, varav 125 MW hämtas av värmepumpen från omgivningen, tex från en flod eller en sjö. Här försvinner alltså bara = 575 MW som spillvärme. Bild 2c, däremot, visar vad som händer då en del av ångan tappas av från turbinen. Ångans temperatur är precis tillräckligt hög för att den ska kondenseras vid fjärrvärmenätets framledningstemperatur. Så mycket ABB Tidning 5/

4 7 6 η th = 70 % 60 Värmepotential hos de fossila bränslena gas och olja H H u netto η th Uppvärmningsvärme Undre värmevärde Nettovärmefaktor Termisk verkningsgrad Framledningstemperatur 90 C Ångavtappning Framledningstemperatur 120 C A A B C D Kombikraftverk, 90 C framledningstemperatur Bra ångpanna Högeffektiv ångpanna med rökgaskondensering Värmepumpdrift H/H u C B Direktvärmning D netto Värmepump olvvärme Radiatorvärme 30 ånga tappas av att återstoden ska räcka för att generera en elektrisk effekt på precis 300 MW, dvs samma effekt som återstår i bild 2b. Eftersom avtappningsdrift ger en värmefaktor = 7 blir emellertid värmeeffekten dubbelt så hög som i figur 2b 350 MW, och inte mer än 400 MW försvinner till kyltornet eller vattendraget. Enligt denna ytterst miljövänliga princip fungerar tex fjärrvärmenätet REFUNA som är kopplat till kärnkraftverket Beznau i nedre Aaredalen i Principschema för kombikraftverk med ångavtappning och leverans av elkraft till värmepumpsystem med fjärrförläggning 4 SN Kraftnät T asturbin K Kondensor M Motor V Förångare enerator AK Avgaspanna FN Fjärrvärmenät WP Värmepump WQ Värmekälla B Bränsle DT Ångturbin HS Värmesystem SN HS B K M WP T AK DT V FN K HS WQ 36 ABB Tidning 5/1996

5 Schweiz. Vid denna enkla och därför ytterst överskådliga jämförelse har överföringsförlusterna försummats. Bränslets värmepotential Förhållandet mellan nyttig värme och det undre värmevärdet kallas värmepotentialen hos ett fossilt bränsle 3 H pot = H/H u (10) med den tidigare definierade nettovärmefaktorn får vi H/H u = η netto (11) Diagrammet visar mycket tydligt de båda områdena värmepumpdrift och avtappningsdrift för fjärrvärmematning. Även om det senare alternativet är dubbelt så effektivt som det förra kan de inte direkt ställas mot varandra. Båda alternativen representerar metoder att få ut oerhört mycket mera nyttig värme ur bränslen än vad konventionella metoder tillåter. Det logiska sättet att tillämpa de båda beskrivna metoderna är att distribuera fjärrvärme i kraftverkets närmaste omgivningar, ett område med en omkrets på 20 till 30 km eller mera. Som komplement, nästan som en kraftverkets förlängda arm, installeras värmepumpsystem på lämpliga platser. Sådana platser kan vara vid floder, sjöar, reningsverk och grundvattenförekomster för att bara nämna de viktigaste möjligheterna. Schemat 4 visar hur de båda metoderna kompletterar varandra, med ett gaseldat kombikraftverk som bas. Sådana kombikraftverk når verkningsgrader mellan 50 och 58%, beroende på storlek och typ av bränsle. Bäst är verkningsgraden i kombikraftverk som eldas med fossil gas (naturgas). Vid en värdering av värmepotentialen i sådana anläggningar framstår deras betydelse för miljövänligt nyttjande av fossila bränslen med full klarhet. Montering av en gasturbin T24 i kraftverket ilbert, New Jersey, USA 5 De nya gasturbinerna T24 och tillämpas i stor skala är det under alla omständigheter T26 utnyttjar bränslet maximalt nödvändigt att bygga flera Med kombianläggningar av ABBs nya gasturbinfamilj kraftverk, för att kompensera den ökande med sekventiell förbränning 5 elförbrukningen. Dessa nya kraftverk kom- och med utgångspunkt från ett viktat årsmedelvärde mer att byggas enligt modernaste teknik på 90 C för fjärrvärmesys- och ersätta den till värme förvandlade temets framledningstemperatur kommer vi strömmen med elenergi som genererats till punkt A i 3, vilket motsvarar att den uttagna vid hög verkningsgrad. Följaktligen är det illets värmen är nästan fem gånger bränslustrerade betraktelsesättet fullt relevant i värmevärde. I jämförelse med en bra praktiken. värmepanna (punkt B) är det frågan om en förbättring med en halv storleksordning. Ett byte från en konventionell panna till en Förbrukning av primärenergi panna med rökgaskondensation (punkt C) för olika värmesystem är i sammanhanget snarast att betrakta 6 visar den procentuella förbrukningen av som ett lätt kosmetiskt ingrepp. primärenergi för framställning av 100% värmeenergi, Redan att använda strömmen från kraftverket utgående från olika metoders för att driva värmepumpar innebär värmepotential. Jämförelsen görs med direkta att bränslets värmevärde utnyttjas till ungefär värmeproduktionsprocesser. 200% (område D). Stapel 1 visar primärenergiförbrukningen Här skulle kunna invändas att befintliga hos en äldre och kraftigt överdimensionerad äldre kraftverk inte arbetar med så hög värmepanna med en medelverkningsgrad verkningsgrad. Det är riktigt, men om den på 67%. Stapel 2 är en värmepanna med termodynamiska uppvärmningsmetoden 90% verkningsgrad och stapel 3 en högeffektiv med ångavtappning och värmepumpar ska panna med rökgaskondensdation ABB Tidning 5/

6 150 energiform. Dess värde styrs av var den kommer ifrån. % P V Primärenergiförbrukning P V för olika uppvärmningsmetoder Röd Baserad på bränslets undre värmevärde rön Baserad på reaktorns termiska effekt 6 Slutsats Spillvärme från kraftgenerering som inte går ut till omgivningen, liksom omgivningsvärme som tas upp av värmepumpar går in under rubriken förnybar energi. Ju högre termisk verkningsgrad hos elgenereringen desto mer förnybar energi kan produceras för uppvärmningsändamål, med hjälp av en allt mindre andel insatt icke förnybar energi (bränsle). Den på detta sätt utvunna värmeenergin kan vara flera gånger större än den satsade bränsleenergin. I detta sammanhang visar den nya serien gasturbiner med sekventiell förbränning från ABB särskilt goda resultat. Stapel Uppvärmningsmetod Verkningsgrad % Transmissionsförluster Elkraft % Värme % 1 Äldre panna 67 2 Modern panna 90 3 Högeffektiv ångpanna 100 (med partiell rökgaskondensering) 4 Fjärrvärme från större ångpanna Värmepump som drivs med elkraft från kärnkraftverk ( netto = 3,5) 6 Värmepump som drivs med elkraft från kombikraftverk ( netto = 3,5) 7 Fjärrvärme från kärnkraftverk ( netto = 8,1) 8 Fjärrvärme från kombikraftverk ( = 8,1) där även en del av kondensationsvärmet i rökgasens ångkomponenter utnyttjas. Intressant i sammanhanget är stapel 4, som representerar avtappning av fjärrvärme från en panna med 90% verkningsgrad och med en antagen värmeförlust på 10 % i fjärrvärmenätet. Sett till bränsleekonomi och koldioxidutsläpp är detta ingen lyckad lösning. Stapel 5 visar förbrukningen av termisk reaktoreffekt vid matning av värmepumpsbaserade värmesystem med ström från kärnkraftverk. Resultatet får emellertid inte ställas i direkt jämförelse med stapel 3, eller sättas lika med denna, eftersom ett kärnkraftverk inte emitterar koldioxid. Om värmepumparna drivs med ström från ett fossilt eldat kraftverk med 56% verkningsgrad kommer primärenergiförbrukningen att bli den som framgår av stapel 6. Ändå bättre, så som redan beskrivits, är avtappning av ånga för fjärrvärme från ett kärnkraftverk (stapel 7). Stapel 8 slutligen representerar avtappning av ånga för fjärrvärme från ett modernt kombikraftverk av ABBs tillverkning, en anläggningstyp som redan från början är konstruerad för produktion av såväl elkraft som värme. Sistnämnda metod ger ca fyra gånger mer värme än en mycket bra ångpanna, eller till och med fem gånger mer än en ångpanna som matar ett fjärrvärmenät. Bränslemängden är hela tiden konstant. Fjärrvärme är inte en fast definierad Referenser [1] Frutschi, H. U.: Ökad värmepotential hos gas och olja vid termodynamiska uppvärmningsmetoder. ABB Tidning 4/91, [2] Stachel, K.; Haselbacher, H.; Frutschi, H. U.: Thermodynamic heating with various types of cogeneration plants and heat pumps. ITI Vol 8, ASME Cogen Turbo Power [3] Frutschi, H. U.: De nya gasturbinerna T24 och T26 historisk bakgrund till Advanced Cycle System. ABB Tidning 1/94, [4] Neuhoff, H.; Thorén, K.: De nya gasturbinerna T24 och T26, hög verkningsgrad tack vare sekventiell förbränning. ABB Tidning 2/94, 4 7. [5] Frutschi, H. U.: asturbiner med sekventiell förbränning för kraftvärmeverk. ABB Tidning 3/95, 4 9. Författarens adress Hans Ulrich Frutschi ABB Kraftwerke A Entwicklung asturbinen Ch-5401 Baden/Schweiz Fax: +41 (0) ABB Tidning 5/1996