Luento 4. Voimalaitosteknologiat Voimalaitoksen rakenne Eri voimalaitostyypit: Lauhde (vain sähköä) CHP (=yhdistetty sähkön- ja lämmöntuotanto) Moottori kaasuturbiini
Älykäs sähköverkko, Wärtsilä www.smartpowergeneration.com
Väitteitä (vastaa kyllä/ei) 1. Yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotanto on hyötysuhteeltaan paras 2. Ydinvoimalla tuotetaan kaukolämpöä 3. Tulistaminen tarkoittaa veden höyrystymistä 4. Rakennusaste = lämmöntuotanto : sähköntuotanto 5. Huippuvoiman tarpeeseen käytetään kaasu- ja moottorivoimalaitoksia
Höyryvoimalaitos Perusrakenne Kattila Höyryturbiini Generaattori Lauhdutin Syöttövesipumppu Toimivuuden ja hyötysuhteen parantamiseksi kattilassa erillinen tulistinosa ja välitulistin syöttövesisäiliö lauhduttimen ja kattilan välissä esilämmittimiä ja muita lämmönvaihtimia moniasteinen höyryturbiini Korkea-, keski- ja matalapaine Tulevaisuudessa CCS? Syöttövesi: johdetaan kattilan seinämiin kuumennettavaksi
Voimalaitoskattilat Poltto- ja tulipesäratkaisut kiinteille polttoaineille: Arinapoltto Pölypoltto Kaasutus (esim. lajiteltu jäte) => parempi polttoprosessi ja hyötysuhde Leijukerrospoltto Läpileikkaus kattilan seinämästä: kupliva leijupeti kiertopeti Höyrykattilan toiminnan päävaiheet Höyrystäminen Tulistaminen (nostetaan höyryn lämpötila 100 C -> esim. 550 C) Eivät aina selkeästi erillisiä
Voimalaitoskattila Tulistin = superheater Tulistettu höyry: T > 100 C normaalipaineessa =syöttöveden esilämmitin Lähde: www.steamboilers.org = palamisilman esilämmitin LUVO 568 ºC
Esimerkki: Meri-Pori - rak. 1994 sähköntuotannon hyötysuhde 43,5% Välitulistuksesta välipaineturbiinille (VP) 390 kg/s, 46 bar, 560 ºC =syöttöveden esilämmitin Syöttövesi T= 265 C tulistinten jälkeen korkeapaine- (KP)-turbiinille 440 kg/s 240 bar, 540 ºC Höyrystyminen kattilan seinissä
Korkeapaine- (VP) (MP) (KP) turbiini välipaineturbiini matalapaineturbiini Lauhdetuotannossa lopullinen ulostulo MPturbiinilta (=lauhdeturbiini, lauhdeperä) lauhduttimelle n. 0,02-0,06 bar
Voimalaitoksen hyötysuhde Carnot n laki (yksinkertaistettuna): Hyötysuhde = 1 -T c / T h T h Lämpötila turbiinille mennessä (Kelvineissä) T c Lämpötila MP-turbiinin jälkeen (Kelvineissä) Lauhdutin: höyry on saatava mahdollisimman alhaiseen lämpötilaan ja paineeseen ennen tiivistymistä vedeksi Jos turbiinille mennessä Th = 543 C (816K) ja lauhduttimelle mennessä Tc = 23 C (296K), teoreettinen maksimihyötysuhde : Carnot n mukaan = (816-296)/816 = 63,7% Ei huomioi reaalimaailman häviöitä (lämpö-, kitka- paine- jne). Jos Tc = 25 C: = (816-298)/816 = 63, 5 % (näin voisi esim. Kuuma kesä vaikuttaa)
Höyryturbiinit Rakenne Juoksupyörä eli roottori Juoksusiivet akseli Johtopyörä eli staattori johtosiivet Korkea-, keski- ja matalapaineturbiinit Koko kasvaa, kun paine alenee Väliulosotot Välipaine ja matalapaineturbiineissa osa höyryvirtauksesta ulos turbiinin loppupainetta ja - lämpötilaa korkeammassa paineessa ja lämpötilassa mm. kattilaan menevän veden esilämmitykseen, teollisuuden prosessihöyryn tuotantoon tai kaukolämmöntuotantoon Höyryn sisääntulo Höyryn sisääntulo 2-juoksuinen välipaineturbiini, ulosotto myös kaukolämpöön
Turbiini höyry
Generaattori Olkiluodon kolmosyksikön turbiinigeneraattori alkaa olla jo viittä vaille valmis Siemensin Mulheimin tehtaalla Saksassa. Ydinvoimalan sähköntuotannon kannalta keskeiset laitteet pääsevät ennätysten kirjoihin. "Turbiinigeneraattorista tulee maailman suurin. Jo ulkoiset mitat ovat vaikuttavat, pituus nousee lähes 70 metriin ja korkeus 14 metriin", kuvaili Siemensin projektipäällikkö Christoph Rademacher viime viikolla suomalaistoimittajille. Kaleva 27.9.2007. Huom: kuva ei ole OL3:sta
Tulistimet Tulistin on höyrykattilakomponentti, jonka tarkoitus on kuumentaa höyrystimestä tuleva vesihöyry energianlähteen lämpöenergialla höyrystymislämpötilaa korkeampaan lämpötilaan. Kattilan tulistin muodostuu ryhmästä erilaisia tulistimia ja tulistimet koostuvat useista putkielementeistä, jotka lähtevät jakokammioista. Eli nippu teräsputkia, jotka roikkuvat tulipesän katosta. Mitä kuumempaa höyry tulistuksen jälkeen, sitä suurempi energia saadaan talteen. Lämpötilat max 550 C astetta.
Tuloveden esilämmmitys (ekonomiser) Vesi lämmitetään lähemmäksi höyrystymislämpötilaa Tavanomainen syöttöveden lämpötila keskikokoisissa ja pienissä kattiloissa n. 100-200 astetta Lämmönlähde on savukaasut Parantaa laitoksen hyötysuhdetta ottamalla savukaasuissa jäljellä olevaa lämpöenergiaa hyötykäyttöön
Tuloilman esilämmitin (LUVO) Ilmanesilämmitin (palamisilma) kuivaa polttoaineesta kostettua, tehostaa polttoaineen syttymistä ja nopeuttaa palamista Tärkeä kun poltetaan kivihiiltä, turvetta tai muita heterogeenisiä polttoaineita. Korostuu kosteuden ja heterogeenisyyden kasvaessa. LUVO sijoitetaan viimeiseksi lämmönsiirtimeksi kattilassa.
Lauhdutin ja pumput Lauhdevesi Lämmönvaihtimella muutetaan turbiineilta tullut höyry taas vedeksi lauhdeveden avulla Suomessa vesistöistä Vesistö siis hieman lämpenee Muualla myös jäähdytystornit, koska ei riittävästi vesistöjä /lämpenemisellä olisi liian suuret ympäristövaikutukset Syöttövesipumppu Syöttövesisäiliöstä tuleva vesi taas voimalan höyrypiirin paineeseen n.8-25 MPa
Rekka 1560 MW, hyötysuhde 46%, vuosipäästöt n. 6-7 MtonCO2 Lisäksi esim. 2100 MW ruskohiililauhdelaitos Kölnin lähelle Lauhdutustorni: käytetään kun lauhdevettä ei voi johtaa vesistöön Ulos tulee vesihöyryä RWE Annual Report 2009.
Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (Combined Heat and Power production CHP) Arvokas energia (korkea lämpötila-alue) sähköntuotantoon Tarpeen mukainen matalampiarvoinen energia lämmöntuotantoon Uhrataan vähän sähköntuotantoa, saadaan moninkertainen määrä lämmöntuotantoa Paisuminen turbiinissa lopetetaan korkeammassa paineessa ja lämpötilassa Käyttö joko höyrynä teollisuuden prosesseissa tai kuuma vesi lämmönvaihtimelta kaukolämpöön Hyötysuhteet: Sähköntuotannossa 40-46% Lämmöntuotannossa 80-90% CHP:ssä hiili: noin 30% sähkö, 60 % lämpö kaasu: noin 45% sähkö, 45 % lämpö Rakennusaste = sähköntuotanto : lämmöntuotanto
Esimerkki Erillinen sähköntuotantolaitos, hyötysuhde 0,43 Erillinen lämmöntuotantolaitos, hyötysuhde 0,90 Yhteistuotantolaitos (pienehkö, kiinteä polttoaine) Sähköntuotannon hyötysuhde 0,28 Lämmöntuotannon hyötysuhde 0,59 Rakennusaste= 0,28/0,59=0,47 Samat energiamäärät erillistuotantona: Sähkö: 0,28/0,43=0,65-kertainen kulutus Lämpö: 0,59/0,9=0,66-kertainen kulutus Yhteistuotanto vähentää polttoaineenkulutusta: 100%*(131-100)/131=24 %
Yhteistuotanto Kuvissa vastapainelaitokset kaukolämpö- ja teollisuuskäyttökytkennöillä Teollisuuskytkentäisissä laitoksissa rakennusaste usein matalampi
Ydinvoimallakin voisi tuottaa kaukolämpöä Fortum ehdotti tätä v. 2010 hakiessaan eduskunnasta lupaa Loviisan korvaavalle voimalalle Esteenä kuitenkin mahdollisesti talouskysymykset, pitkä siirtomatka Helsinkiin, Helsingin lämmönsaannin turvaaminen, miten vaikuttaisi Helsingin Energiaan (kenelle kaukolämpöbisnes siirtyisi?) Lämmitysvesi ei ole radioaktiivista Maailmalla käytetään jonkin verran ydinvoimaa myös kaukolämmön ja prosessilämmön tuotantoon: Venäjä, Ukraina, Bulgaria, Kanada, Kiina, Sveitsi
Kaasuturbiinivoimalaitos Itse palamiskaasujen energia mekaaniseksi energiaksi Brayton-prosessi Sähköntuotannon hyötysuhteet olleet matalia pelkällä kaasuturbiinilla (nykyisin parhaat n.40%) Pieni ja kompakti rakenne => pienet rakennuskustannukset Käyttö melko kallista (polttoaine, hyötysuhde) Käytetään lyhytaikaiseen huippuvoiman tarpeeseen
Kaasukombivoimalaitos Kaasuturbiiniprosessissa paisuntavaiheen vastapaineena ilmanpainełkaasu jää yli 400 c lämpöiseksi höyryvoimaprosessi Kombivoimalaitos: kaasuturbiinivoimalaitos +höyryvoimalaitos -> hyötysuhde n. 60% Voidaan käyttää myös yhteistuotantoon, jolloin lisäksi lämpöä, hyötysuhde > 90% (esim. Vuosaari A, B) Kaasuturbiinin prosessi Lämmönvaihdin
Kaasutus Korkea lämpötila, polttoaine ja vain vähän ilmaa / happea => tuotekaasu Voidaan kaasuttaa esim. Kivihiiltä, jätebiomassaa (lajiteltu yhdysjäte / puun jäte osat kaarna, oksat... ) Tuloksena kaasumainen polttoaine, joka voidaan polttaa hyvällä hyötysuhteella Vaasa: 140 MW maailman suurin kaasutin (Metson) 2013-> korvaa kivihiiltä, tuetaan syöttötariffilla Esimerkiksi tällä hetkellä tutkitaan SNG:tä eli puuhakkeesta kaasutetaan synteettistä maakaasua. Esim. Joutsenossa suunnitteilla Metsä Group, Gasum, Helen 200 MW laitos, josta SNG johdettaisiin maakaasuputkessa esim. Helsinkiin => uusiutuva maakaasu osana Hgin uusiutuvan energian tavoitteita.
Moottorivoimalaitokset Mäntämoottori yhdistettynä generaattoriin Dieselmoottorit Raskaan polttoöljyn moottorit Kaasumoottorit Etuja: Nopea käynnistää Laaja polttoainevalikoima Lyhyt rakennusaika moduulirakentaminen Suomessa lähinnä huippu- ja varavoimaloina Esim. saarilla dieselmoottorit usein sähköntuotannon perusta (Jersey, Kanaria, Madeira, Malta, )
Voimalaitokset, esimerkkejä Moottorivoimalat: www.wartsila.com Voimalaitokset, kattilat, kaasuttimet: www.fosterwheeler.com
Voimalaitoksen kustannuslaskenta, esimerkki: Hiililauhdevoimalaitoksen sähköteho on 600 MW ja hyötysuhde 45%. Laitoksen rakentamiskustannukset ovat 500 milj., mikä sisältää kaikki sen käyttöönottoa edeltävät kulut rakennusaikaisine korkoineen. Polttoaineen hinta on 5,4 /MWh. Laitoksen kiinteät käyttökustannukset ovat 4 M vuodessa ja muuttuvat käyttökustannukset 1,5 /MWh (tuotettuun sähköenergiaan suhteutettuna). Laske laitoksen tuottaman sähkön tasoitettu tuotantokustannus (tuotetun sähköenergian hinta /MWh) vuotuisen huipunkäyttöajan ollessa 6000 h, kun laitoksen laskennallinen elinikä on 20 v ja laskentakorkokanta 6 % (näitä lukuja vastaava annuiteettikerroin on 8,7%).
Voimalaitoksen kustannuslaskenta, esimerkki: Kustannuskomponentit: Vuotuinen investointikustannus = 0,087 * 500 M = 43,5 M Vuotuinen kiinteä käyttökustannus = 4 M Vuotuinen muuttuva käyttökustannus = 1,5 /MWh * 600 MW * 6000 h = 5,4 M Polttoainekustannus = 5,4 /MWh / 0,45 * 600 MW * 6000 h = 43,2 M Tuotettu sähkö/vuosi = 600 MW * 6000 h => 26,7 /MWh
Väitteitä (vastaa kyllä/ei) 1. Yhdistetyn sähkön ja lämmön tuotanto on hyötysuhteeltaan paras 2. Ydinvoimalla tuotetaan kaukolämpöä 3. Tulistaminen tarkoittaa veden höyrystymistä 4. Rakennusaste = lämmöntuotanto : sähköntuotanto 5. Huippuvoiman tarpeeseen käytetään kaasu- ja moottorivoimalaitoksia Kyllä Kyllä Ei Ei Kyllä