Hibrid koncepció a kassai fűtőerőműben I.
2008/6. lapszám | Dr. Böszörményi László | 2558 |
Figylem! Ez a cikk 17 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Szlovákia fosszilis energiahordozókban rendkívül szegény. Szükségletének kb. 90%-át importból kénytelen fedezni. Ennek hatását súlyosbítja a szlovák nemzetgazdaság magas energiaigénye, amely az EU átlagának közel háromszorosa. Ezt nagyrészt az energiaigényes ipari ágazatok, mint pl. a kohóipar, gépipar és vegyipar magas részaránya okozza. Mivel a GDP döntő részét éppen ezek az ágazatok termelik, ezen jelentősen változtatni nem lehet. Növelhető viszont a hatékonyság az energiatermelés, -szállítás és -fogyasztás terén, valamint a hazai megújuló energiaforrások kihasználásának mértéke. Ennek fokozott ösztönzése az EU irányelveinek megfelelően a mindenkori szlovák kormány energiapolitikájának alapvető feladata.
Az aránylag kedvező feltételekre való tekintettel a vízi energia és a biomassza energetikai célú felhasználása terén ugyan tapasztalható némi előrelépés, de a rendelkezésre álló tartalékok kihasználása még így is csak 20-30% körül van. Fokozottabb figyelmet kellene viszont szentelni a geotermikus és napenergia felhasználásának fejlesztésére, mert ezen a téren az aránylag jelentős tartalékok kihasználása rendkívül alacsony (kb. 5, illetve 0,2%). Míg a napenergia kihasználása körülményeink között kisebb teljesítményű (néhány kW, esetleg néhányszor tíz kW) rendszerek létesítése által képzelhető el, a geotermikus energia sokkal koncentráltabb, és a kihasználható teljesítmények esetenként elérhetik a néhány MW, esetleg néhányszor tíz MW-nyi nagyságrendet is.
A legjelentősebb földhő-potenciált a kassai Katlanban fedezték fel. Ez kb. 300 MW hasznosítható hőteljesítményt képvisel, ami, tekintettel az energiaellátás rendkívül magas importfüggőségére, szinte stratégiai jelentőségű. A hasz- nosítása Kassa hőellátásának támogatásánál tűnik a legkönnyebben megoldhatónak.
A távhőellátás geotermikus támogatásának eredeti elképzelése
A primer földhőhordozó várható hőmérsékletét a geofizikusok kezdetben - mint azóta nyilvánvalóvá vált - túlzottan optimistán, kb. 147 °C-ra becsülték fel. Ezért aránylag indokoltan első elképzelésként a földhőpotenciálnak ORC-technológián alapuló villamosenergia-termelésre való kihasználása jött számításba. A hulladékhő mintegy 12 km hosszúságú távhővezeték segítségével lett volna betáplálva a Kassai Távhőszolgáltató Rendszerbe. A megvalósíthatósági tanulmány eredményei szerint a gazdaságossági hatékonyság még így is kiábrándítóan rossz lenne.
A több mint 40 éves Kassai Távhőszolgáltató Rendszer a legnagyobb Szlovákiában, de a maga nemében európai viszonylatban is a legjelentősebbek közé tartozik. A háztartások mintegy 85%-ának, valamint több ipari létesítménynek és középületnek a hőellátását biztosítja. A rendszert egyetlen hőforrás, a Kassai Fűtőerőmű (TEKO) táplálja, amely "fénykorában" mintegy 875 MW beépített hőteljesítménnyel és 121 MW villamos teljesítménnyel rendelkezett. A hőteljesítmény az igények csökkenése és a berendezések kiöregedése miatt jelenleg jóval kisebb.
A jelentős villamosenergia-terme-lésnek köszönhetően a kassai távhő ára a legalacsonyabb Szlovákiában. Ezért a kapcsolt energiatermelés felújítása a várhatóan rendkívül költséges földhőhasznosítás megvalósítása esetében is kétségtelenül indokolt. Ezért a 90-es évek elején az élettartama határán levő 55 MW villamos teljesítményű és ellennyomású gőzturbinás egység (TEKO I) helyettesítése került napirendre. A kieső 200 MW hőteljesítmény hiányának pótlásával a megvalósíthatósági tanulmány foglalkozott. A vizsgálatnak alávetett lehetőségek közül 100 MW-ot a földhőhasznosításból és 100 MW-ot egy létesítendő kombinált ciklusú gáz/gőz fűtőerőmű-egység által ajánlotta bebiztosítani az 1. ábrán szemléltetett koncepció alapján, annak ellenére, hogy a gazdaságossági mutatók rosszabbak voltak, mintha az teljes mértékben egy nagyobb teljesítményű, kombinált ciklusú gáz/gőz fűtőerőmű által lenne bebiztosítva. Ezt többek között az indokolta, hogy a külső költségek nem voltak figyelembe véve.
Az ajánlott koncepció szerint 8 kút hozamának kihasználásával évente kb. 2500 TJ-t lehetne kihasználni a távhőszolgáltató rendszer táplálására. Ez nagyjából kétszeresen haladja meg a Szlovákiában jelenleg kihasznált geotermikus hő mennyiségét. Mivel a kombinált ciklusú gáz/gőz fűtőerőmű-egység létesítéséhez nem sikerült állami garanciát szerezni, a Kassai Fűtőerőmű vezetősége áthidaló megoldásként a TEKO I élettartamának meghosszabítására kényszerült. A földhőhasznosítás ügye továbbra is időszerű maradt, de az 1. ábrán szemléltetett koncepció helyett indokolt lett egy hatékonyabb megoldás keresése, amelynél a szekunder földhőhordozó ental- piája jóval nagyobb mértékben lenne kihasználva. Ez a tervezett, elképesztően magas, 60 °C-ot meghaladó visszasajtolási hőmérséklet csökkenését jelentené.
A fűtőerőmű felújításának elvi kérdései - beleértve a földhőhasznosítást is - a Kassai Műszaki Egyetemen végzett tudományos kutatómunkának is kedvelt témája lett. A földhőhasznosítás hatékonyságának növelésére a legkézenfekvőbb megoldásként a munkában egy speciális hőszivattyú létesítése volt ajánlva, amely munkaközegként vizet használna, és a vízgőz sűrítését gőz- sugár-kompresszor végezné. Ennek segítségével a visszatérő földhőhordozó kb. 30 kelvinnel való lehűtése által távhőszolgáltatásra alkalmas hőteljesítményt lehet nyerni. Végeredményben így a tervezett 100 MW hőteljesítményt már 6 termelő kút hozamával be lehetne biztosítani.
Kétségtelen, hogy a termálvíz entalpiájának nagyobb mértékű kihasználása javíthatná a geotermikus hő versenyképességét annak ellenére, hogy a gazdaságtalan nyári üzemmód így nem kerülhető el. Ezért a már létező, de eddig kihasználatlan három termelő kút tulajdonosa jelenleg hasonló koncepció megvalósítására törekszik, de standard megoldású abszorpciós hőszivattyúk alkalmazását tervezi. Számításai szerint a geotermikus hőteljesítmény fokozottabb mértékű kihasználása és az árviszonyok változása azt eredményezné, hogy a szolgáltatott geotermikus hő egységára alacsonyabb lenne a TEKO Rt. által fosszilis energiából termelt hő egységáránál. Ez a kassai távhőfogyasztók számára mindenesetre biztató tény, de hiba lenne az így elérhető eredménnyel teljesen megelégedni, mert a geotermikus hőhasznosítás hatékonysága növelésének lehetőségei ezáltal még távolról sem merültek ki.
Egy kapcsolt energia termelésű hibrid gáz/ gőzerőmű megvaló sításának elvi kérdései
A Kassai Műszaki Egyetem munkacsoportja érdemesnek találta földhőhasznosítás alapfilozófiáját felülvizsgálni, mert ennek megváltoztatása által sokkal előnyösebb megoldásokat is lehetne találni. Adott geotermikus hőteljesítményből ugyanis évente sokkal nagyobb mennyiségű hőt lehetne hasznosítani, ha az nem csak a hőellátás céljait szolgálná, hanem pl. villamos energia és hűtőenergia termelésénél is fel lenne használva. Ahhoz, hogy ez közvetlenül megvalósítható legyen, a várható hőmérséklet (120-130 °C) túl alacsony. Egy ORC-technológián vagy Kalina-cikluson alapuló geotermikus erőműben a közvetett villamosenergia-termelés persze esetünkben megvalósítható lenne, de csak alacsony energetikai hatásfokkal, valamint magas fajlagos beruházási költségek és környezetre ártalmas speciális munkaközeg alkalmazása árán. Mivel a TEKO a fűtőerőmű egy részének a közeljövőben elkerülhetetlen leállítása után az eredeti elképzeléseknek megfelelően egy kapcsolt energiatermelésű gáz/gőzerőmű létesítését tervezi, a geotermikus hőhasznosítás egy eddig sehol sem alkalmazott egyedi megoldásának lehetősége körvonalazódik.
A vázolt probléma legésszerűbb megoldása az lenne, ha egy hagyományos kapcsolt energiatermelésű gáz/gőzerőmű helyett egy hibrid koncepció valósulna meg, amely többek között lehetővé tenné az alacsony hőmérsékletű geotermikus hő betáplálását a gőzturbina körfolyamatába. Ezáltal a fosszilis tüzelőanyagból származó magas hőmérsékletű hővel egyidejűleg villamosenergiára lenne alakítva. Az említett hibrid koncepció lényege az, hogy a gőzkörfolyamat kondenzátorát elhagyó csapadék a geotermikus hő által, a hőmérsékletétől függő, megfelelő helyen bizonyos mértékben fel van melegítve. Ez esetünkben csak a kondenzátor és a gáztalanító között lehetséges. A távfűtő rendszerbe való közvetlen betáplálással szemben a geotermikus hőhasznosításnak ez a módja rendkívül előnyös, mivel a kondenzátorból távozó csapadék hőmérséklete kb. 30 K-nel alacsonyabb, mint a távhőszolgáltató rendszerből visszatérő fűtővíz hőmérséklete, ezért a szekunder földhőszállító entalpiáját jóval nagyobb mértékben lehet kihasználni, és így esetünkben azonos nagyságú hőteljesítmény kb. 50%-kal kisebb tömegáramból származtatható; ez azt eredményezné, hogy a kutak száma felére és a költségek is csaknem a felére csökkennének.
A villamosenergia-termelés egész éven át üzemeltethető, míg a fűtés szezon- jellegű. Konkrét körülmények között, ha aránylag nagy hőigényt is fedezni kell, a geotermikus hőnek a gőzkörfolyamatba és a távfűtőrendszerbe való egyidejű betáplálása nagyon előnyösen alkalmazható. Ez a helyzet esetünkben is. A fűtőerőmű felújítása keretében kezdetben egy olyan kapcsolt energiatermelésű hibrid gáz/gőzerőmű létesítésének a lehetősége volt vizsgálva, amely a 2. ábrán szemléltetett rendszerstruktúra szerint működne. A geotermikus hőt szállító munkaközeg mSCGH tömegárama két részre lenne osztva. Az egyik (mFWH) a C kondenzátorból a VE gáztalanítóba szállítandó csapadéknak HEC hőcserélő által való melegítése közben a gőzkörfolyamatba, míg a másik (mDHN) közvetlenül a DHN távfűtő rendszerbe táplálná be a geotermikus hőt. A visszatérő, különböző mértékben lehűlt részáramok keveredése után keletkező eredő áramból a HP hőszivattyú segítségével további geotermikus hőteljesítményt lehetne kihasználni. Ez egy fűtőkör első fokozatában melegítené a fűtővizet, amely aztán a második fokozatban az STL kisnyomású turbina megcsapolásából származó gőz által a HE1 és HE2 hőcserélők segítségével lenne a szükséges hőmérsékletre melegítve.
A hőszivattyú párologtatójában a szekunder földhőhordozó hőmérséklete olyan mértékben csökkenhet, hogy elméletileg a C kondenzátor hűtésére is fel lehet használni. Ez elsősorban a nyári üzemmódban indokolt. A továbbiakban célszerűnek tűnik a WHB hőhasznosító kazánba vezetni, ahol felmelegedhet akár arra a hőmérsékletre is, amellyel az eredeti elképzelés szerint lenne visszaszolgáltatva. Ez abban az esetben lenne előnyös a TEKO részére, ha a geotermikus hőt vásárolná a kihasználatlan kutak tulajdonosától. Az elszállított hulladékhőt a TEKO és a hőátadó állomások között részben ki lehetne használni alacsony hőmérsékletű hőigények kielégítésére (ez a lehetőség a 2. ábrán nincs szemléltetve), attól függően, milyen hőmérsékletnél előnyös a termálvizet visszasajtolni. A ki nem használt hulladékhő a visszasajtolt termálvíz által a földkéregbe lenne betárolva.
Az írás második, befejező részét következő számunkban olvashatják.
