Sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego wykorzystujący powietrze w turbinie gazowej i kotle oraz recyrkulację spalin


ZESPÓŁ AUTORSKI:

Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku

  • Dariusz Kardaś - kierownik,
  • Piotr Klonowicz,
  • Grzegorz Żywica,
  • Sylwia Polesek-Karczewska,
  • Marek Bujny,
  • Wojciech Klonowicz

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Wynalazek daje możliwość produkcji prądu elektrycznego na terenach zasobnych w biomasę w urządzeniu, które z jednej strony jest zaawansowane techniczne, a z drugiej strony wykorzystuje najprostszy czynnik transportujący energię czyli powietrze. W ten sposób patent łączy bardzo zaawansowaną technologię z przyrodą - powietrzem i biomasą. Powszechne zastosowanie tego wynalazku stworzy liczną, wielotysięczną grupę producentów energii elektrycznej, dla której sprzedaż prądu elektrycznego będzie znaczącym źródłem przychodów. Produkcja małych elektrowni na biomasę wygeneruje firmy produkujące i remontujące poszczególne urządzenia takie jak kotły wysokotemperaturowe, turbiny i sprężarki, systemy sterowania. Obsługa i konserwacja tych urządzeń stanie się źródłem utrzymania dla wysoko kwalifikowanej kadry inżynierów i techników. Wynalazek jest na etapie prób technicznych, przez co jego wdrożenie jest możliwe w najbliższym czasie. Ponieważ idea małej elektrowni na biomasę, a także jej projekt jest całkowicie polskim produktem, tworzy to możliwość zbudowania narodowej specjalizacji. Taki produkt może być eksportowany na cały świat, tam gdzie istnieją zasoby biomasy i gdzie sieć elektroenergetyczna nie jest rozwinięta.

ISTOTA WYNALAZKU

Istotą wynalazku jest jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego, np. drewna, biomasy rolnej spalanych w kotle, przy zastosowaniu powietrza jako czynnika roboczego. Dotychczas rozwijane i stosowane małe układy kogeneracyjne, czyli produkujące prąd i ciepło jednocześnie, wykorzystują różnego rodzaju związki chemiczne (tzw. czynniki organiczne), mogące przyczyniać się do zanieczyszczenia środowiska. Zaletą proponowanego rozwiązania technologicznego jest zastosowanie w pełni ekologicznego (czystego), ogólnodostępnego i bezkosztowego czynnika roboczego – powietrza. W przeciwieństwie również do dostępnych na rynku technologii skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, które wykorzystują paliwa ciekłe i gazowe, proponowane rozwiązanie stwarza możliwość wykorzystania lokalnie dostępnych biopaliw stałych.
W skład instalacji wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, będącej przedmiotem wynalazku, wchodzą: kocioł na paliwo stałe z wymiennikiem ciepła, sprężarka, turbina gazowa, generator prądu oraz podgrzewacze wody zdemineralizowanej i użytkowej. W układzie tym powietrze pobierane jest z otoczenia i sprężane do około 3 barów za pomocą sprężarki, a następnie miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną w części wymiennikowej kotła spalającego paliwo stałe, gdzie zostaje podgrzane przez spaliny do temperatury około 800ºC. Domieszka wody zdemineralizowanej do powietrza roboczego poprawia odbiór ciepła i zwiększa sprawność cieplną kotła. Ogrzana mieszanka powietrza i pary wodnej jest kierowana z kotła do turbiny, gdzie następuje jest rozprężenie do ciśnienia około 1 bar i temperatury do około 600ºC. Mieszanka rozprężając się obraca turbinę, która z kolei napędza generator prądu i sprężarkę. Rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania i wymiennika ciepła spaliny-powietrze. Spaliny opuszczające kocioł przepływają kolejno przez dwa podgrzewacze – w pierwszym z nich podgrzewając wodę zdemineralizowaną, w drugim zaś wodę użytkową. W celu zminimalizowania emisji pyłów, spaliny przed wylotem do komina są oczyszczane z cząstek stałych w elektrofiltrze.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Nie słońce ani wiatr, lecz biomasa jest najbardziej dostępnym odnawialnym źródłem energii w naszym kraju. Jej zaletą jest wysoka wartość kaloryczna i bardzo duże, sięgające kilkunastu milionów ton zasoby. Różnego rodzaju biomasa rolna i leśna jest dostępna na terenie całej Polski, ale szczególnie łatwo o nią w rejonach wiejskich, oddalonych od dużych miast. Właśnie tam produkcja energii elektrycznej w układach o mocy od kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów ma logistyczne i ekonomiczne uzasadnienie. Zasoby 10 mln ton biomasy rocznie pozwalają na budowę i eksploatację około 20 tys. urządzeń o mocy elektrycznej 50kW. Odbiorcami małych elektrowni na biomasę będą zakłady przetwórstwa rolno-spożywczego, duże gospodarstwa rolne, przemysł drzewny i komunalne przedsiębiorstwa samorządowe. Potrzebę pracy takich urządzeń potęguje gwałtowny rozwój paneli fotowoltaicznych, które są źródłem niestabilności lokalnych sieci elektroenergetycznych. Zastosowanie małych elektrowni na biomasę pozwoli zbilansować sieć.