Příprava na žhavou budoucnost
Rekordní 50procentní účinnosti s teplotou
páry 700 oC u budoucích uhelných elektráren
by měly ulevit životnímu prostředí. Mají však
velké nároky na konstrukční materiály, zvláště
materiály parních turbín.
V materiálové laboratoři v areálu Siemense
(Mülheim) materiály umírají pomalou smrtí.
Závaží neúprosně natahuje tyče z nových
slitin. Ve zrychlovači (v zařízení modelujícím
zrychleně procesy tečení ,creapu’ a
tepelné degradace materiálového vzorku)
podléhá materiál únavě a korozi. Za stěnou
z plexiskla rudě žhne tenká tyčinka uchycena
mezi dvěma svorkami, která se za pár
dní přetrhne. Je lepší, když materiály selžou
v laboratoři, než později, až budou ve formě
metr silných hřídelí turbíny vystaveny teplotám
700 oC a enormním odstředivým silám.
Zatěžování materiálu je pro inženýry přípravou
na uhelnou elektrárnu budoucnosti.
Měla by být výrazně účinnější a spotřebovávat
méně paliva, aby znečišťování ovzduší
bylo co nejnižší. Uhelné elektrárny po celém
světě spotřebují k výrobě 1 kWh energie
v průměru 480 g uhlí a do vzduchu vypustí
1000-1200 g CO2, resp. okolo 8 mld. t za
rok. Jedna z nejúčinnějších uhelných elektráren
světa, blok Waigaqiao III v Číně, kam
Siemens dodal dvě 1000megawattové turbíny,
spotřebovává jen 320 g uhlí a vypouští
tedy jen 761 g CO2 na 1 kWh.
Srovnatelnou elektrárnu vybuduje Siemens
do roku 2012 pro svaz 27 podniků komunálních
služeb pod vedením Trianel power-Projektgesellschaft
v Lünenu na severu Německa.
Účinnost kolem 46 % není pro mülheimské
konstruktéry turbín a pro provozovatele
uhelné elektrárny dost dobrá. Jejich cílem je
dosáhnout do roku 2015 účinnost 50%. Taková
vysoce účinná elektrárna by potřebovala
jen 288 g uhlí na 1 kWh a emitovala by 669 g
CO2. Byl by to nesmírný pokrok: každý procentní
bod zlepšené účinnosti (pokud by se
týkal všech uhelných elektráren) by atmosféru
ročně zbavil 260 mil. t CO2.
Zatěžování materiálu
Aby se tento ambiciózní cíl stal realitou,
musí materiál pro turbíny vydržet enormní
zátěž. Vyrobená energie je určena rozdílem
entalpií vstupující a vystupující páry. Entalpie
je fyzikální veličina pro souhrnné označení
energie vnitřní a tlakové, tedy energií
média (páry), které se v parní turbíně přeměňují
v mechanickou práci na hřídeli.
Konstruktéři usilují, aby turbína zpracovala
nejvyšší entalpický (teplotní) spád. Teplota
páry na vstupu musí tedy gradovat: ze 600
oC, které jsou v nejlepších současných elektrárnách,
na cca 700 oC, při nichž se v laboratoři
v Mülheimu „trápí“ kovy. Jen tak lze
pomýšlet na 50procentní účinnost. Navíc:
zákazníci vyžadují od parní turbíny alespoň
200 000 provozních hodin; tedy životnost
více než 25 let.
To, že si konstruktéři troufají na velký skok
(ze 600 na 700 oC a z tlaku 285 na 350 barů),
má především praktické důvody. Současné
materiály nevydrží teplotu více než 600 °C.
Není vyhnutí: třeba použít nové materiály.
Proto už je jednodušší si u nových materiálů
rovnou stanovit vyšší cíle, tj. 700 °C. Vyšší
tlak je nutný, aby se optimalizoval stupeň
účinnosti tepelného cyklu. Cílem je o 4 %
vyšší účinnost než při 600 oC a asi o 6-7 %
nižší spotřeba paliva a nižší emise CO2 při
stejném výkonu.
Neobvyklý mix
Novými materiály se myslí tzv. slitina na
bázi niklu, rafinovaná směs z vysoce pevných
kovů, jako jsou nikl a chrom s trochou
železa. Legování je drahé: po pracném
zpracování stojí 5-10krát víc než chromovaná
ocel, jež se používá dnes. V případě
turbíny, na níž se spotřebuje asi 200 t kovových
slitin, to není zanedbatelná částka.
Aby náklady na materiál poklesly, inženýři
nechtějí postavit celou turbínu ze slitiny na
bázi niklu, ale z kombinace slitin v závislosti
na rozdílných teplotách v turbíně. Kupříkladu
vnitřní a vnější skříně turbíny by měly být
termálně odděleny vrstvou chladnější páry,
aby na vnější části postačila normální ocel
pro 550 oC. Metr silná hřídel se vyková z více
kusů, takže slitina na bázi niklu se aplikuje
jen v oblasti s nejvyšší teplotou.
Popisovaný koncept vytváří další výzvy.
Třeba jak se vyrovnat s rozdílnými koeficienty
tepelné roztažnosti kovů. Musí se také
vyvinout potřebné procesy odlévání, kování,
obrábění a zkoušení pro výrobu a zpracování
materiálů odolných vysokým teplotám. Alespoň
pro několikatunové komponenty parní
turbíny. Inspirace z konstrukce plynových
turbín, u nichž jsou slitiny na bázi niklu standardem
už delší dobu, zde nepomůže. Plynové
turbíny jsou ve srovnání s parními citlivější
a vyrábí se jiným postupem. Teploty v jejich
případě sice dosahují přes 1400 oC, ale tlaky
kolem 20 barů jsou nízké.
Skok ze 600 na 700 oC není lehce dosažitelný.
Vývojáři ho proto musí rozložit do několika
malých krůčků. Jeden výrobce sám takový
úkol nezvládne. Proto se výrobci zařízení a
dodavatelé elektrické energie spojili do různých
konsorcií, v nichž vyvíjí 700stupňovou
technologii. Patří sem třeba COMTES700
(„Component Test Facility for a 700 oC Power
Plant“). Podporuje jej EU. Evropské odborné
sdružení výrobců energie a tepla VGB Power
Tech koordinuje tucet mezinárodních partnerů
projektu, mezi nimi i Siemens. Od roku
2005 běží téměř 30 let starý blok F uhelné
elektrárny E.ON Scholven v německém Gelsenkirchenu
se součástkami, které by se měly
používat v 700stupňové elektrárně. Zkušební
kotel, potrubí ostré páry a některé další komponenty
zde pracují za teploty 700 oC, včetně
ventilu turbíny ze slitiny na bázi niklu od Siemense.
Stará turbína tím není nijak ovlivněna.
Aby byla chráněna, pára se po průtoku testovací
dráhou zchladí opět na 520 oC.
NRWPP700. „Nordrhein-Westfalen Power
Plant 700 oC“ je preinženýrská studie 10
evropských dodavatelů energie. V rámci
tohoto projektu se nic nestaví a nic se netestuje.
V centru pozornosti jsou technické
koncepty designu kotle, potrubí a součástek
500megawattové elektrárny. Hodnotí se
i technická a ekonomická proveditelnost v
komerčních černouhelných a hnědouhelných
zařízeních třídy 1000 MW.
50plus. Na základě výsledků přípravných
projektů chce E.ON uvést první „skutečnou“
700stupňovou elektrárnu do provozu v roce
2014 ve Wilhelmshavenu. Aby byla magická
hranice 50% účinnosti s jistotou překročena,
vybaví ji E.ON předehříváním spalovaného
vzduchu a chlazením mořskou vodou, která
díky nízké teplotě chladí efektivně. Proto padla
volba právě na přímořský Wilhelmshaven.
Stavba 500megawattového bloku by měla
začít už v roce 2010.
Hospodárná 700stupňová elektrárna však
ještě neexistuje. V SRN dnes stojí elektrárna
třídy 600 oC/800 MW a 1 kW v ní přijde
na více než 1700 eur. 50plus bude stát
1 mld. eur, což zvýší náklady za instalovaný
kilowatt na 2000 eur. 50plus bude proto
sloužit především jako předváděcí závod pro
budoucí sériově vyráběné elektrárny. Kde je
to neekonomické, tam zákazníci polevují v
zájmu. Nicméně vzhledem ke stoupajícím
cenám surovin a poplatkům za CO2, jsou
zvýšené náklady (asi o 10-15%) na postavení
700stupňové sériové elektrárny kompenzovány
její vyšší účinností.
Konkurence konceptů
Nová technologie 700 oC bude konkurovat
jiným technologiím, kupř. elektrárnám
IGCC, v nichž se uhlí, ale i jiná paliva (třeba
olej nebo asfalt) přeměňují na syntetický plyn,
jenž pak zpracovává paroplynová elektrárna.
Z hlediska účinnosti konceptů je pro tuto
technologii konkurencí i plynový cyklus.
Siemens dosahuje s moderními plynovými
turbínami stupně účinnosti až 46 %. Do roku
2020 bude s plynovými turbínami třídy H bez
odlučování CO2 možný růst účinnosti až do
51 %.
Několik málo IGCC zařízení již existuje.
Třeba zařízení na přeměnu uhlí na plyn, která
pracují v rafineriích a vyrábí syntetický plyn
bohatý na vodík pro chemické procesy. IGCC
elektrárny k výrobě elektřiny, jak je nyní Siemens
vyvíjí, jsou oproti obvyklým uhelným
elektrárnám ekonomicky ještě v nevýhodě.
„Problém názvu“, který se zde rýsuje, nevyřeší
konstruktéři elektráren snadno. Protože
při tlacích více než 221 bar se voda přeměňuje
přímo na páru, nazvali konstruktéři elektrárny
moderního konstrukčního pojetí podle tohoto
fyzikálního fenoménu „nadkritické“. Při teplotách
600-620 oC se mluví o ultrasuperkritických.
Pro elektrárny třídy 700 oC ještě žádná
označení neexistují. /bm/
