Sestava výkonové turbíny zařízení Sofia
Skupina ÚJV se už více než 10 let věnuje výzkumu a vývoji v oblasti pokročilých energetických technologií spojených s perspektivními tepelnými oběhy a vysokokapacitní akumulací. Centrum výzkumu Řež v rámci řešení projektu EFEKT podpořeného TA ČR buduje unikátní experimentální zařízení SOFIA, které umožní testování hlavních komponent oběhů se superkritickým CO2 (sCO2). Ve střednědobém horizontu je pak cílem inženýrů z Centra výzkumu Řež realizace demonstrační jednotky tzv. bezemisní teplárny, která bude kombinovat právě inovativní sCO2 oběh pro konverzi energie s velkokapacitní akumulační jednotkou nabíjenou prostřednictvím obnovitelných zdrojů.
Vývoji termodynamických oběhů s využitím superkritického CO2 jakožto pracovního média je v posledních letech celosvětově věnována zvýšená pozornost. Výhodou této technologie je, že při vhodném uspořádání oběhu lze díky specifickým fyzikálním vlastnostem média dosáhnout vyšší termodynamické účinnosti než u konvenčních tepelných oběhů. Další významnou výhodou jsou výrazně menší geometrické rozměry točivých strojů a celého oběhu, což mimo jiné zvyšuje flexibilitu oběhu a v budoucnu může přispět ke snížení nákladů na realizaci. To je však podmíněno dalším vývojem jak v oblasti termodynamiky cyklů a komponent, tak především v oblasti materiálů a výrobních technologií. Oběhy je totiž pro dosažení zmíněných výhod nutné provozovat na relativně vysokých provozních parametrech odpovídajících tlakům až 30 MPa a teplotám nad 550 °C. Dlouhodobý spolehlivý provoz tedy vyžaduje využití progresivních a v současné chvíli i drahých materiálů.
Zařízení SOFIA realizované v rámci projektu TA ČR EFEKT je tepelný oběh se superkritickým CO2 určený primárně k ověření a testování točivých strojů. Ačkoliv se svým charakterem a hlavním účelem stále jedná o experimentální zařízení, jednotka bude produkovat 1 MW elektrické energie (která bude využita především pro vlastní spotřebu) a lze ji tedy považovat za poslední předstupeň před realizací velké energetické demonstrační jednotky. Jednotka bude provozována v konfiguraci jednoduchého Braytonova cyklu s regenerací. Pohyb média v oběhu je zajištěn kompandérem, tj. kompresorem poháněným turbínou na stejné hřídeli. Kompresor bude médium stlačovat z 8 MPa na 25 MPa a v nominálním provozním režimu zajistí hmotnostní průtok pracovního média přibližně 20 kg/s. Kvůli absenci elektromotoru se pro najetí oběhu počítá se zapojením tzv. startovacího kompresoru, který ze studeného stavu odpovídajícímu CO2 v kapalné fázi spolu se zdrojem tepla zajistí superkritické podmínky. Po dosažení superkritického stavu a dosažení přebytku výkonu na kompandéru bude startovací kompresor odpojen a oběh bude dále samoudržitelný. Za výtlakem kompresorové části kompandéru je umístěna studená (vysokotlaká) strana regeneračního výměníku. Pro udržení vysoké kompaktnosti se předpokládá využití mikrokanálového výměníku. Následovat bude zdroj tepla, kde přibližně 6 MW tepelné energie bude do oběhu dodáváno prostřednictvím tepelného výměníku. Za tepelným zdrojem, kde je dosahováno nejvyšších teplot v oběhu (až 550 °C), je část média (přibližně třetina) odváděna na turbínu kompandéru, která zajišťuje pohon kompresoru. Vetší část je pak vedena na paralelně zapojenou výkonovou turbínu s generátorem transformujícím tepelnou energii na elektřinu. Axiální výkonová turbína je v rámci projektu vyvíjena společností Doosan Škoda Power s.r.o. Médium vystupující z výkonové a z kompandérové turbíny je smíseno a proudí přes horkou stranu regeneračního výměníku a vodní chladič zpět na sání kompresoru. Kromě hlavních komponent jsou paralelně vyvíjeny podpůrné systémy nezbytné pro správnou funkci zařízení. Jednou z těchto komponent je například kompenzátor objemu, který pomáhá kontrolovat tlak v oběhu a zároveň slouží k ukládání CO2 během odstávky zařízení.
Právě zmíněné točivé stroje, tj. kompandér, startovací kompresor a výkonová turbína jsou v rámci projektu vyvíjeny a vyráběny a hlavním cílem projektu je ověření jejich provozních charakteristik v reálném zapojení a při podmínkách odpovídajících reálným energetickým oběhům. Vzhledem k tomu, že zařízení SOFIA je uspořádáno jako reálný tepelný oběh, budou získány cenné zkušenosti s designem systému a s provozem relativně velkého zařízení s sCO2. S tím souvisí i možnost ověření dalších komponent systému, především pak kompenzátoru objemu a inovativních mikrokanálových výměníků ve velkém měřítku. Ačkoliv se původně počítalo s realizací zařízení v areálu ÚJV Řež v kombinaci se zdrojem tepla ve formě plynového kotle, aktuálně probíhá jednání s jedním z předních provozovatelů elektráren o možném umístění experimentální jednotky SOFIA přímo v prostorách uhelné elektrárny. V takovém případě by zdrojem tepla byla pára ze stávajícího oběhu, čímž by došlo ke snížení celkových investičních, ale především provozních nákladů. S tím souvisí i další benefit, a to dlouhodobé ověření sCO2 oběhu v reálných podmínkách připojení do distribuční soustavy. Centrum výzkumu Řež již sestavilo a provozuje testovací sCO2 smyčku o tepelném výkonu 110 kW určenou pro materiálový výzkum a testování komponent v malém měřítku. V případě realizace zařízení SOFIA se pak Skupina ÚJV může stát evropským průkopníkem ve vývoji sCO2 technologie, neboť demonstrační jednotky o podobné velikosti byly zatím realizovány pouze v USA společnostmi Sandia National Laboratory a Echogen.
V případě úspěšného provozu zařízení SOFIA se počítá s další implementací sCO2 tepelných oběhů. Centrum výzkumu Řež se paralelně zabývá studiemi tzv. bezemisní teplárny, která by mohla být energeticky využitelná ve střednědobém horizontu. Bezemisní teplárna se skládá z velkokapacitního vysokoteplotního zásobníku tepla a právě sCO2 tepelného oběhu. Tepelný zásobník bude nabíjen prostřednictvím konverze elektrické energie na teplo. Vstupní elektrická energie bude pocházet z obnovitelných zdrojů, případně z přebytkové levné elektřiny ze sítě. Existují desítky konceptů akumulátorů tepelné energie, jejichž provozní i ekonomické charakteristiky se liší především dle materiálu a skupenství akumulačního média. Například zásobníky s tekutými solemi se již hojně využívají pro akumulaci až stovek MW tepelné energie po dobu několika hodin. Akumulované teplo lze pak v době zvýšené poptávky využít pro zpětnou konverzi na elektřinu, např. prostřednictvím tepelného oběhu, případně lze systém provozovat v teplárenském režimu. Výhodou takového systému jsou relativně nízké investiční náklady (díky využití levného akumulačního materiálu), prakticky neomezená kapacita a možnost realizace nezávisle na geologických podmínkách lokality. Nevýhodou je pak relativně nízká elektrická účinnost akumulace, která je omezena především termodynamickou účinností oběhu pro zpětnou konverzi. Zde se nabízí právě využití superkritického CO2 oběhu, kdy by v kombinaci s vysokoteplotním zásobníkem bylo možné dosáhnout elektrické účinnosti akumulace až 45 %. V teplárenském zapojení je potom možné dosáhnout celkové účinnosti i nad 80 % dle parametrů topné soustavy. V případě budoucí implementace lze předpokládat, že technologie přispěje k decentralizaci energetického sektoru, k lepší využitelnosti obnovitelných zdrojů a regulovatelnosti přenosové soustavy.
Otakar Frýbort, Tomáš Melichar
Centrum výzkumu Řež s.r.o.
