Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας: Ορυκτά καύσιμα vs. ΑΠΕ vs. Πυρηνικη Περιβάλλον και Ανάπτυξη 20/04/2016 Σ. Καρέλλας, Αναπλ. Καθηγητής ΕΜΠ Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15780, Ζωγράφου Email: sotokar@mail.ntua.gr URL: www.lsbtp.mech.ntua.gr
Περιεχόμενα Μορφές Ενέργειας Ενεργειακή Στρατηγική Κάλυψη αναγκών σε ενέργεια Λιγνιτικοί σταθμοί και το μέλλον του λιγνίτη Σταθμοί Φυσικού Αερίου Σταθμοί Πετρελαίου
Μορφές ενέργειας
Χημική Ενέργεια Καύση Θερμότητα Ηλεκτρική Γεννήτρια Ηλεκτρική Μηχανή
ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΔΕΙΚΤΗΣ Οικονομία Ανταγωνιστικότη τα Ενεργειακή ένταση Κόστος επένδυσης Βαθμός απελευθέρωσης Φορά Προτίμησ ης Χειρότε ρη Επίδοσ η Καλύτε ρη Επίδοσ η Περιθώ ριο Βελτίωσ ης Πρωτογενής ενέργεια/αεπ (toe/εκ. ) 148 128 20 Ετήσιο ισοδύναμο κόστος (εκ. ) 2.480 1.660 820 % μερίδιο μεγαλύτερου παραγωγού ηλεκτρισμού 91% 64% 27% Ενεργειακή εξάρτηση % εισαγωγές ενέργειας 78% 72% 6% Ασφάλεια Εφοδιασμού Αειφορία Κοινωνική συνοχή Διαφοροποίηση μίγματος Ανάπτυξη ΑΠΕ Εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου Εκπομπές SO2/NOx Ενεργειακή κατανάλωση Γεωγραφική διασπορά Κόστος ενέργειας ανά νοικοκυριό Ποιοτικός (10 βάθμια κλίμακα) 6 7 1 % ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας 14% 18% 4% % μεταβολή εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από 2005 19% 3% 22% εκπομπές ισοδύναμου οξέος (kt/έτος) 24,2 19,4 4,8 Πρωτογενής ενέργεια (toe/κάτοικο) 3,6 3,1 0,5 Ποιοτικός (10 βάθμια κλίμακα) 6 8 2 Μηνιαία δαπάνη ανά νοικοκυριό (, τιμές 2008) 242 200 42 Απασχόληση Νέες θέσεις εργασίας 3.300 7.800 4.500
Κάλυψη αναγκών σε ενέργεια
Ημερήσια Παραγωγή 10/10/2006 8000 7000 6000 ΜW 5000 4000 3000 ΑΙΟΛΙΚΑ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡ. ΦΥΣ.ΑΕΡΙΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΚΟΙ ΛΙΓΝΙΤΙΚΟΙ 2000 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ώρα
Ημερήσια Παραγωγή 26/6/07 10000 9000 8000 7000 ΜW 6000 5000 4000 αιολικά ΥΗΣ Φ.Α. πετρελαϊκοί λιγνιτικοί 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ώρα
Future energy demand study ( Shell Study ) World energy demand will increase... In around 20 years, biomass shall have the same share as coal today! World Energy use [ExaJoule] 1500 1000 500 Energy up to day 45 Years 30 Years 25 Years Today s energy from coal Renewable Energy Sources Coal 0 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 Still open Geo / ocean Energy Solar Energy New Biomass Wind Energy Hydro power trad. Biomass Nuclear Energy Natural gas Oil J. Karl Dezentrale Energiesysteme
World-Electricity consumption Per person in kwh 14000 North America Future Energy consumption with high life standard around 300 Exa Joule Future energy consumption due to the increase of the world s population 12000 OECD Pacific countries Around 50 Exa Joule Around 35 Exa Joule 10000 8000 West Europe Russsia and East Europe 6000 Today s Electricity 4000 consumption around 50 Exa Joule 2000 Latin AmericaEast Asia Middle East and North Africa Rest of the world 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 kwh = Kilowatt hours World Population in million Source: Deutsche Shell AG Diagram: Prof. Jürgen Karl J. Karl Dezentrale Energiesysteme
Λειτουργία σταθμών ηλεκτροπαραγωγής στη Γερμανία Πυρηνική ενέργεια Λιγνίτης Λιθάνθρακας Φυσικό αέριο Υ/Η Σταθμοί Αιολικοί Σταθμοί
Αναμενόμενη αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην ΕΕ (x10 9 kwh (TWh)) +25% Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Πυρηνική Ενέργεια Άνθρακας Φυσικό αέριο Πετρέλαιο Πηγή: VGB Facts& Figures Electricity Generation 2010 2011
Αναμενόμενη αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο Το 2030 γύρω στο 70% της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα Ο άνθρακας (λιγνίτης, λιθάνθρακας, ανθρακίτης κ.α.) θα παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο ανάμεσα στα ορυκτά καύσιμα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Πυρηνική Ενέργεια Άνθρακας Φυσικό αέριο Πετρέλαιο Πηγή: VGB Facts& Figures Electricity Generation 2010 2011
Πηγή: VGB
Εξέλιξη στην Ηλεκτροπαραγωγή (Παγκοσμίως) 35000 31180 TWh 30000 25000 2,5%/a 2,0%/a 25560 TWh Αφρική Μέση Ανατολή Λατινική Αμερική Νότια και Αν. Ασία TWh 20000 15000 10000 5000 Υπόλοιπα ΑΠΕ Υδροηλεκτρικά Πυρ. Ενέργεια Φ. Αέριο Πετρέλαιο Άνθρακας 3,3%/a 8490 TWh 2,8%/a 11730 TWh 2,7%/a 15390 TWh 20040 TWh Κίνα Αναπτυσσόμενες χώρες OECD Ειρηνικού OECD Ευρώπη OECD Β. Αμερικής 0 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Πηγή: IEA weo2002, weo2006
Η Ευρώπη από μόνη της δεν μπορεί να σώσει το περιβάλλον. Χρειάζεται μια παγκόσμια λύση Οι εκπομπές της Κίνας μείον τις Ευρωπαϊκές δεσμεύσεις με βάση το Κυότο Εκπομπές CO 2 από την παραγωγή ενέργειας στην Κίνα Πηγή: IEA, UNFCCC
Βαθμοί απόδοσης Βαθμός απόδοσης = Τι κερδίζω Τι πληρώνω
Τυπικοί Βαθμοί απόδοσης Μηχανή Stirling ΑΗΣ Ηλεκτροπαραγωγή 20-60% Λέβητας Παραγωγή Θερμότητας 80-105% Συμπαραγωγή 60-90% Παραγωγή Ψύξης 80-120% ό ό έ έ έ ώ ( Αντλίες θερμότητας: ) 200-400% Ψυκτική Μηχανή
ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ Δρ. Σωτήριος Καρέλλας
Αρχή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Παραγωγή ατμού Η θερμότητα ατμοποίησης προέρχεται από καύση
Αρχή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Κίνηση στροβίλου με την ενέργεια του ατμού
Αρχή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Η περιστροφική κίνηση του άξονα του στροβίλου στρέφει τον άξονα της γεννήτριας
Αρχή της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Η περιστροφή του ρότορα της γεννήτριας παράγει ηλεκτρικό ρεύμα
Σχηματική διάταξη ΑΗΣ
Μετατροπή ενέργειας Χημική ενέργεια Θερμική ενέργεια Περιστροφική ενέργεια Ηλεκτρική ενέργεια Λιγνίτης Ατμοπαραγωγός Στρόβιλος Γεννήτρια Υψηλή Τάση
Tπροσ. (διεργασία ατμού) Tπροσ (Αεριοστρόβιλος) 100% 80% Θερμικός ΒΑ 60% 40% Β.Α. B.A. Carnot Συνδυασμένου κύκλου 20% ΑΗΣ Αεριοστρ. Μονάδες 0% 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Μέση Θερμοκρασία πρόσδοσης Θερμότητας ( C)
Ενεργειακό μείγμα της χώρας 6,14% 7,20% 9,11% 15,82% 10,56% 51,16% 2011 Λιγνίτης Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Υδροηλεκτρικά Ανανεώσιμα Διασυνδέσεις
Μείωση CO 2 με κατασκευή νέων λιγνιτικών σταθμών Τεχνολογικός δρόμος προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με μειωμένες εκπομπές CO 2 Ειδικές εκπομπές CO 2 ΠΑΡΕΛΘΟΝ ΜΕΛΛΟΝ Με νέα τεχνολογία ξήρανσης Μείωση των εκπομπών CO 2 κατά 30% Μείωση των εκπομπών CO 2 κατά 40% Βαθμός απόδοσης [%] Πηγή: RWE
Τεχνολογίες δέσμευσης CO 2 σε θερμικούς σταθμούς Οι κυριότερες εμπορικές ή υπό ανάπτυξη τεχνολογίες δέσμευσης CO 2 σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: Α) Παραγωγή καυσίμου που δεν περιέχει άνθρακα (δέσμευση προ της καύσης). Β) Καύση σε συνθήκες καθαρού οξυγόνου (oxyfuel) Γ) Διαχωρισμός CO 2 από το καυσαέριο (δέσμευση μετά την καύση) Θερμικοί Σταθμοί με δέσμευση και αποθήκευση CO 2 Προ της καύσης Καύση με οξυγόνο Μετά της καύσης Απώλειες βαθμού απόδοσης κατά 5 με 14%
Ενεργειακό μείγμα της χώρας 6,14% 7,20% 8,61% 4,83% 9,11% 15,82% 10,56% Λιγνίτης 5,73% Πετρέλαιο 46,01% Φυσικό αέριο 51,16% Υδροηλεκτρικά 26,62% Ανανεώσιμα Διασυνδέσεις 8,20% 2011 2012 Φυσικό αέριο: Το εθνικό καύσιμο της Ελλάδας!!!!
Περιβάλλον και Ανάπτυξη Πηγή: General Electric Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
Πηγή: General Electric
Μελλοντικά συστήματα αξιοποίησης λιγνίτη Ο ρόλος του λιγνίτη σε μελλοντικά ενεργειακά συστήματα θα εξαρτάται σημαντικά από τις τεχνολογικές επιλογές Αναβάθμιση του λιγνίτη σε υποκατάστατο φυσικού αερίου «Substitute Natural Gas» SNG: Μείωση των εκπομπών CO 2 κατά 30% Επιλογές δέσμευση και αποθήκευσης ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΕΦΟΔΙΑΣΜΟΥ 1999 2025 Norway UK N L Algeria Tunesia Egypt Russia Kasakhsta Ukraine Uzbekistan Turkmenistan Russia Turkmenistan
Παράδειγμα: CO2freeSNG Gasification Gas Cleaning and Methanation coal combustor steam-gasifier 2/3 32 MW 100% 50 MW 65% SNG,LHV 35 MW SNG,HHV 1/3 3 MW el 3/3 C coal Coal-to-SNG plant heat pipes H 2 / CO H 2O/CO2/CH4 syngas 1/3 CO2 Gasification and Methanation CO2 Separation methanation and gas conditioning SNG natural gas grid 1/3 CO2 (optional) post combustion sequestration combined cycle plant Παραγωγή SNG: 71% Απόδοση αεριοποίησης: 75% Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης: 6 7% steam cycle waste heat gasification and methanation (optional) post combustion sequestration Εκπομπές CO 2 350 kg CO2 /MWh SNG 1/3 CO2 Εκπομπές CO 2 σε ένα σταθμό SNG www.co2freesng20.eu
CO2 H2O H2 CH4 CO