Bulletin

Prosinec 2007, číslo 41

Obsah

Olga Ubrá
Technické možnosti řešení vypouštění emisí CO2 z elektráren na fosilní paliva
5
Prof. Ing. J. Houša, DrSc.
Česká národní technologická platforma STROJÍRENSTVÍ ustavena
15
Jan Melichar, Jaroslav Bláha
Význam Strouhalova kritéria pro návrh hydrodynamických strojů
17
Jan Melichar, Jaroslav Bláha
BIONIKA - výzva soudobé polytechnické pedagogice
21
Ing. Jiří Michele
Nová koncepce strojů TOS KUŘIM
25

Zprávy z činnosti ASI

Zápis z 29. zasedání Senátu Asociace strojních inženýrů
27
Usnesení z 29. zasedání senátu ASI
28
Konference Parní turbíny a jiné turbostroje 2007
28
Profesor Ing. Stanislav Holý - mezinárodní ocenění
29

Společenská kronika členů ASI

80 let Doc. Ing. Ferdinanda Neckáře, CSc.
30
Šedesátiny Doc. Ing. Václava Cyruse, DrSc
31
Životní jubileum Ing. Františka VDOLEČKA, CSc. (50)
32
Prof. Píštěk má sedmdesátiny
33
Pozvánka na technické úterky
34

Technické možnosti řešení vypouštění emisí CO2 z elektráren na fosilní paliva

Olga Ubrá
Ústav jaderného výzkumu Řež a.s.

Úvod

Návrh energetické politiky a strategie EU z ledna 2007 deklaruje požadavek snížení emisí skleníkových plynů do roku 2020 o 20% oproti roku 1990. Nutnou podmínkou pro splnění tohoto požadavku je ekologizace energetiky. Jedná se především o uhelnou energetiku, která je jedním z největších znečišťovatelů ovzduší a pravděpodobně si ještě v nejbližších desetiletích uchová nejvyšší podíl na výrobě elektrické energie ve světě. Předpokladem pro ekologizaci energetiky na fosilní paliva je masivní rozvoj nových ekologicky příznivějších technologií vč. technologií zachycování a ukládání CO2.

Ke snižování emisí v energetických výrobnách bude třeba přistupovat paralelně dvěma způsoby

  • zvyšováním účinnosti přeměny primární energie paliva na elektřinu a teplo zařazením moderních pokročilých výrobních technologií jako jsou bloky s nadkritickými parametry páry, paroplynové elektrárny s integrovaným zplyňováním uhlí (IGCC) či s tlakovým fluidním spalováním.
  • vývojem a postupným zařazováním technologií zachycování CO2 do výrobního procesu elektráren a řešením dalšího nakládání s CO2.

Komplexní řešení problematiky vypouštění emisí CO2 z elektráren znamená řešení celého řetězce od vlastního zachycení CO2 přes transport zachyceného CO2 až k jeho ukládání, případně dalšímu využití, tj. řešení CCS (Carbon Capture and Storage) technologií. Z hlediska technologického zvládnutí celého řetězce ekonomicky akceptovatelným způsobem je nejslabším článkem řešení zachycování CO2. Výzkum a vývoj zatím nedosáhl přijatelného zvládnutí technologie zachycování pro komerční využití v podmínkách elektrárenských provozů s uhelnými bloky běžných výkonů. Problematika transportu a ukládání CO2 je řešena souběžně i dalšími hospodářskými odvětvími, především těžebním průmyslem a to hlavně v souvislosti s využitím CO2 k zvýšení výtěžnosti ropných ložisek. Technologie ukládání CO2, obdobně jako technologie zachycování CO2, budou muset projít před komerčním nasazením v energetice fází demonstračních zařízení a pilotních projektů, které prověří proveditelnost a funkčnost navržených řešení a poskytnou podklady pro reálnější zhodnocení ekonomických dopadů nasazení nových technologií. Problematiku transportu CO2 lze považovat za technicky zvládnutou.

Metody a technologie zachycování CO2

V současné době jsou energetickým výzkumem sledovány tři základní přístupy k zachycování CO2 z elektrárenských provozů:

  1. zachycování CO2 po procesu spalování (post- combustion capture)
  2. zachycování CO2 před procesem spalování (pre-combustion capture)
  3. technologie oxyfuel, kde spalovací proces probíhá pouze s O2 bez přítomnosti dusíku.

Schématické znázornění je na následujícím obrázku.

Metody zachycování CO<sub>2</sub>

Zachycování CO2 po procesu spalování

Výběr metod a technologií zachycování CO2 se zpravidla odvíjí od vlastností spalin – teploty, tlaku a především koncentrace CO2. Koncentrace CO2 ve spalinách je závislá na druhu paliva a typu energetické výrobny. U elektráren s kotli na fosilní paliva se pohybuje v rozmezí od 10 obj.% u kotlů spalujících plyn až do 18 obj.% u kotlů spalujících hnědá uhlí. U kombinovaných paroplynových cyklů se obvykle koncentrace CO2 ve výstupních plynech nachází v závislosti na vstupním palivu v rozmezí 3-5 obj.%. Odstraňování CO2 ze spalin je zpravidla založeno na separačních principech jako je chemická absorpce, adsorpce a technika membrán.

Metoda chemické absorpce

využívá rozpouštědel na bázi aminů. Ze známých metod se jeví pro využití v uhelné energetice k vydělení CO2 ze spalin jako nejvhodnější a vývojově nejdále dovedená. Oproti ostatním metodám je energeticky poněkud méně náročná. Komerčně dostupné sorbenty jsou dostatečně aktivní pro separaci při nízkých tlacích. Jedná se především o alkanolaminy, jako jsou monoetanolamin (MEA), dietanolamid (DEA) a metyletanolamin (MDEA). Zatím téměř výhradně je u demonstračních zařízení a v průmyslových aplikacích použita metoda MEA.

Separace technikou membrán

princip založen na různé rychlosti jednotlivých složek plynné směsi při průchodu kaskádou několika membrán. Metoda je zatím ve stavu výzkumu a vývoje a nebyla dosud aplikována v provozním měřítku.

Metoda adsorpce

využívá fyzikální vazby mezi plynem a aktivními body na pevné látce. Vhodné fyzikální látky pro adsorpční proces separace CO2 ze spalin jsou např. zeolity a aktivovaný uhlík (velký specifický povrch). Metoda je energeticky značně náročná, ve větších provozech zatím nebyla aplikována.

Zachycování CO2 před procesem spalování

Odstranění CO2 před spalováním znamená v případě pevných paliv před vlastní energetickou jednotku předřadit proces zplyňování a reformování. Syntetický plyn obsahující H2 a CO prochází katalytickým reaktorem, kam je přiváděna pára. Dochází k exotermické reakci jejíž výsledkem je směs H2 a CO2. Následně je metodou fyzikální absorpce CO2 zachycen a H2 je zpravidla použit jako palivo pro spalovací turbínu paroplynového cyklu. Odstraňování CO2 zde probíhá z proudu plynu relativně bohatého na CO2 při vysokém tlaku (parciální tlak CO2 je 20- 30 barů), pro separaci je proto vhodná metoda fyzikální absorpce.

V podstatě všechny komponenty tvořící systém separace CO2 před spalováním jsou již řadu let úspěšně využívány v jiných průmyslových odvětvích. Jejich využití v energetice je zpravidla spojeno s provozováním kombinovaných paroplynových cyklů.

Separace CO2 při spalování s kyslíkem- oxyfuel

Technologie oxyfuel je založena na spalování s kyslíkem proudícím ve směsi s částí recirkulovaných spalin. Kyslík je použit jako okysličovadlo místo vzduchu, který obsahuje 79% objemových dusíku a ředí spaliny. Spalování s téměř čistým O2 probíhá za podmínek blízkých stochiometickému spalování a vzniklé spaliny obsahují 90- 95% CO2, vodní páru a v závislosti na palivu malé objemy SOx a NOx. Jelikož teplota ve spalovací komoře by byla při spalování s čistým O2 velmi vysoká, je pro snížení teploty část spalin recirkulována. Po kondenzaci páry obsažené ve spalinách a odloučení nečistot jako jsou NOx, SOx, O2 a částice, se získá čistý CO2, který může být transportován mimo výrobnu.

Technologie oxyfuel je použitelná jak pro uhelné bloky, tak pro nové paroplynové cykly. Doplnění této technologie k provozovaným uhelným blokům je rovněž možné, avšak přechod ze vzduchu na kyslík by si vyžádal poměrně rozsáhlou úpravu kotle, především nový návrh teplosměnných ploch a výměnu hořáků. Hlavní komponenty technologie „Oxyfuel“ jsou principiálně známé z použití v průmyslu, kde se zpravidla jedná o výkony o jeden až dva řády nižší než je třeba pro moderní elektrárenské bloky.

Separace O2 ze vzduchu v objemech, které by odpovídaly potřebám elektrárenského bloku běžného výkonu, je v současné době realizovatelná kryogenní technologií, která je energeticky náročná. Proto jedním z úkolů výzkumu a vývoje v této oblasti je právě vývoj nových energeticky méně náročných metod získání O2.

Metodě oxyfuel je v poslední době věnována velká pozornost zejména v Německu. Společnost Vattenfall v rámci výzkumně vývojové přípravy nové generace uhelných bloků pro období po roce 2020 zpracovala studii, která vyhodnotila právě technologii oxyfuel jako optimální způsob řešení zachycování CO2 v německých uhelných elektrárnách. Pro základní provozní ověření technologie oxyfuel připravuje demonstrační zařízení o výkonu 30 MWt v lokalitě stávající elektrárny Schwarze Pumpe. V Anglii se problematice věnuje společnost E.ON, která uvedla do provozu malou demonstrační jednotku o výkonu 1 MW v Nottinghamu.

Metoda chemické absopce

Vývoji metody chemické absorpce a jejímu technologickému zabezpečení byla v minulých letech v oblasti energetického výzkumu věnována mimořádná pozornost. Jak již bylo zmíněno, byla z metod použitelných pro vydělení CO2 ze spalin dovedena neblíže k realizacím.

Při použití metody chemické absorpce jsou spaliny o teplotě 40- 500C zavedeny do absorbéru, kde je CO2 absorbován aminovým sorbentem, a to včetně ve spalinách obsažených stopových příměsí SOx, NOX,, O2 a nezachycených částic popílku. Sorbent obohacený CO2 je po ohřátí (na cca 110 0C) zaveden do destilační kolony, tzv. striperu, kde je za přívodu tepla CO2 v koncentrovaném stavu uvolněn a následně připraven pro transport. Ochuzený sorbent, zbavený CO2, je vracen zpět do absorbéru.

Zjednodušené schéma toků pracovních látek je na následujícím obrázku

schéma toků pracovních látek

Pro realizaci procesu chemické absorpce musí být splněna řada podmínek:

  • Teplota v absorbéru pro udržení dostatečné intenzity absopce musí být v rozsahu 40 až 600 C. Vyšší teplota působí degradaci sorbentu a zhoršuje průběh absopčního procesu. Je tedy třeba zajistit odpovídající vstupní teplotu spalin, tj. pokud možno do 500C. Pokud teploty spalin na výstupu z kotle budou vyšší (např. u fluidních kotlů), bude třeba před vstup do absorbéru zařadit chladič.
  • Spaliny musí být před vstupem do absorbéru v maximální možné míře zbaveny nežádoucích příměsí jako jsou kyselé plyny SO2, NO2, HCl, které reagují s aminy a vedou ke vzniku teplotně stálých neregenerovatených aminových solí. Tyto soli znehodnocují sorbent, snižují jeho schopnost absorbovat CO2 a často mají korozivní účinky. Zejména nežádoucí jsou SO2 a NO2. Koncentrace SO2 ve spalinách by měla mít hodnotu blízkou 10 ppm, tj. přibližně 29 mg/m3. Koncentrace NO2 ve spalinách by neměla překročit hodnotu 20 ppm, tj. přibližně 41mg/m3. Dodržení koncentrace NO2 zpravidla nečiní problém, neboť cca 95% dusíku obsaženého ve spalinách je ve formě NO a pouze zbývajících 5% je ve formě NO2. Problémem je SO2, jehož obsah ve spalinách uhelných kotlů se zpravidla v závislosti na obsahu spalitelné síry v palivu a na výhřevnosti paliva pohybuje v rozmezí 700- 2 500 ppm (2 000- 8 000 mg/m3 ). Při provozu práškových kotlů s odsířením spalin se obvykle v průměru dosahuje zachycení 95% SO2, v případě fluidních kotlů lze předpokládat zachycení SO2 do 90%. Z toho vyplývá, že při použití technologie zachycování CO2 na principu aminové separace bude pravděpodobně třeba zařadit na vstupu spalin další dodatečné odstraňování SO2. Rozhodnout o jeho zařazení je záležitostí ekonomické optimalizace. Podle zahraničních studií je levnější instalovat dodatečný druhý stupeň odsíření než provozovat zařízení s vyšší koncentrací SO2 a s velkými ztrátami sorbentu.

Z hlediska vlastní dostupnosti základní technologie zachycování CO2 na bázi aminů typu MEA, existují 3 výrobci, jejichž zařízení je již v průmyslových aplikacích prověřeno.

  • Fluor Daniel Inc - dodavatel technologie ECONAMINE FG. Používá MEA technologii s inhibitory proti korozi uhlíkové oceli a degradaci sorbentu. Koncentrace MEA v roztoku je 30%. Společnost dodala pro průmyslové aplikace více než 20 provozních zařízení o výkonech 4,8 až 360t/ den. Největší dodaná zařízení zhruba odpovídají potřebám uhelného bloku cca 20 MWe.
  • ABB- Lummus - dodavatel velkého počtu zařízení pro průmyslové aplikace o výkonech až do 800 t CO2/ den. Je rovněž dodavatelem dvou existujících pilotních projektů v energetice o výkonech 150 a 190 t CO2/den. Technologie pracuje s koncentrací roztoku MEA 15- 20%. Nižší koncentrace sorbentu umožňuje vypuštění inhibitorů, ale má za následek pro stejný výkon větší rozměry zařízení a vyšší energetickou náročnost.
  • Mitsubishi Heavy Industries, Ltd - dodavatel zatím jediného provozovaného zařízení o výkonu zhruba 200 t CO2/den, instalovaného v závodě na výrobu močoviny v Malajsii. Použitím roztoku KS- 1, který je již komerčně k dispozici, se dosahuje oproti MEA nižší energetické náročnosti procesu a nižší degradace sorbentu, a to bez použití inhibitorů. V současné době MHI provádí demonstrační testy své separační technologie na uhelném kotli v Nagasaki v Japonsku.

Ekonomické aspekty zařazení technologie zachycování CO2

Ekonomie celého řetězce CCS závisí na mnoha faktorech, z nichž k nejdůležitějším náleží

  • použité palivo a jeho cena,
  • technické a provozní charakteristiky elektrárny, parametry, účinnost, roční využití,
  • použitá separační technologie a její energetická náročnost,
  • rozsah a účinnost separace, roční využití,
  • integrace do výrobní technologie elektrárny (nový blok, retrofity),
  • způsob a vzdálenost transportu,
  • způsob dalšího nakládání s CO2 (ukládání příp. další využívání CO2)

Odhaduje se, že náklady na separaci a přípravu CO2 pro transport činí 50-80% z nákladů celého řetězce technologie CCS. Dostatečně věrohodné stanovení těchto nákladů je obtížné, neboť zatím není v provozu žádný systém zachycování CO2 odpovídající svou kapacitou a technickým řešením potřebám stávajících elektrárenských bloků.

Všechny dostupné ekonomické analýzy implementace technologie zachycování CO2 vycházejí z porovnávacích studií prováděných pro hypotetické energetické bloky řešené ve dvou variantách- se zachycováním CO2 a bez zachycování CO2. Pro hypotetické bloky jsou formulovány ekonomické modely navazující zpravidla na modely provozní a vyhodnocovány a porovnávány základní technicko– ekonomické ukazatele, především měrné náklady na výrobu elektrické energie, měrné investiční náklady a měrné náklady na zachycení 1t CO2.

Na základě porovnání provedených pro větší počet případů jsou formulovány závěry s obecnější platností.

V publikaci IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage z roku 2005 byly uveřejněny vybrané výsledky z 9 technicko- ekonomických studií nových uhelných bloků o výkonech 400- 800 MW s vysokými parametry páry (7 bloků s nadkritickými parametry) a se zachycováním CO2 ze spalin a výsledky z 12 technicko- ekonomických studií implementace systému zachycování v rámci retrofitů provozovaných elektrárenských bloků.

Z provedených studií pro nové bloky vyplývá:

  • Měrné investiční náklady (USD/ kW) u bloku se zachycováním CO2 se zvýší oproti referenčnímu bloku bez zachycování CO 2 o 44 až 87% (hodnota při vyšší hranici platí pro variantu s vysokým obsahem síry, podkritickými parametry, s relativně nízkou účinností).
  • Měrné náklady na výrobu elektrické energie (USD/ MWh) se zvýší u bloku se zachycováním CO2 oproti referenčnímu bloku o 42 až 81% při účinnosti zachycování 80 - 90%. V absolutních hodnotách to znamená zvýšení ceny elektrické energie v důsledku zachycování CO2 o 18 až 38 USD/ MWh, tj. na hodnoty 62 až 87 USD/ MWh.
  • Spotřeba paliva na vyrobenou MWh je u bloku se zachycováním CO2 o 24 - 42% vyšší než u bloku referenčního. Palivem pro téměř všechny analyzované bloky bylo černé uhlí, pouze u jediného bylo uhlí hnědé.
  • Měrné náklady na zachycení CO2, vyhodnocené pro jednotlivé případy se pohybují v rozsahu 29- 51 USD/ t CO2.
  • Více než polovina z celkové energie pro systém zachycování CO2 je spotřebována na regeneraci sorbentu a téměř jedna třetina je určena pro sušení a stlačení CO2.

Velké rozsahy uváděných intervalů, např. velký rozdíl mezi nejnižšími a nejvyššími náklady, jsou způsobeny především rozdílným palivem, rozdílnou účinností, různým ročním využitím instalovaného výkonu a různými odpisy. Je zřejmé, že čím bude účinnost bloku a využití instalovaného výkonu nižší, tím více systém zachycování CO2 zdraží vyrobenou MWh. Důležitou roli má rovněž ta okolnost, zda se jedná o zcela nový blok s pokročilou technologií nebo o implementaci systému zachycování do existujících elektrárenských provozů v rámci jejich retrofitů. Ve druhém případě měrné náklady na zachycování CO2 dosahují v průměru až o 30 % vyšších hodnot než u nových bloků. Vždy samozřejmě bude záležet na individuálních podmínkách té které elektrárny, na vhodném způsobu integrace systému zachycování do základní výrobní technologie elektrárny a rovněž na tom, zda v rámci retrofitu nebude prováděna významná modernizace základní výrobní technologie např. přechod na nadkritické parametry páry. Významnou roli bude mít rovněž prodejní cena CO2. Z uvedeného lze soudit, že s instalací plnovýkonových systémů zachycování CO2 bude účelné začít u moderních elektrárenských jednotek s nadkritickými parametry a vysokou účinností, které pracují v základním zatížení a to alespoň do té doby, než pokračující výzkum separačních procesů a využití postupně získávaných zkušeností z pilotních projektů nepřinesou levnější technické řešení.

Shrnutí k problematice zachycování CO2

Souhrnně lze ke stavu vývoje metod a technologií zachycování konstatovat:

  • Žádná z uvedených metod není technologicky dovedena do stavu potřebného pro uplatnění v energetice na komerční bázi. První vstupy technologií zachycování CO2 do energetiky představují relativně malá demonstrační zařízení, případně pilotní jednotky poněkud většího výkonu. Největší známá zařízení instalovaná v elektrárnách jsou separační jednotky o výkonu 190 t CO2/den na elektrárně Shady Point v Oklahomě (výkon bloku 320 MWe, fluidní kotel, uhlí z dané lokality) a separační jednotka o výkonu 150t CO2/ den v elektrárně Warrior Run v Marylandu (výkon bloku 180 MWe, fluidní kotel, uhlí z dané lokality). V obou případech byl dodavatelem separačních jednotek ABB Lummus (MEA) a uvedení do provozu bylo v letech 1991 a 1999.
  • Pro vydělení CO2 ze spalin elektrárenských bloků s uhelnými kotli jsou aplikovatelné přístupy separace CO2 po spalování a oxyfuel. Pro doplňování zachycování CO2 k provozovaným energetickým výrobnám v rámci retrofitů se na základě současných znalostí jeví jako vhodnější separace CO2 ze spalin po spalovacím procesu, a to metodou chemické absorpce. Vyžaduje nejméně zásahů do existující technologie elektrárny.
  • Zařazení kterékoliv technologie zachycování CO2 do provozu elektrárny bude vždy spojeno s výraznými ekonomickými dopady. Kromě nezanedbatelných investičních nákladů všechny dosud známé technologie v důsledku své vysoké energetické náročnosti významně zvýší provozní náklady a sníží účinnost elektrárny. Dle provedených zahraničních studií celková účinnost uhelného elektrárenského bloku se zachycováním CO2 po spalování se sníží přibližně o jednu třetinu oproti účinnosti bloku bez zachycování CO2. Nezanedbatelný vliv na ekonomii celého systému bude mít způsob integrace systému zachycování do vlastní technologie výrobního elektrárenského bloku. Schéma hmotnostních a energetických toků musí být navrženo tak, aby energetické ztráty v celém integrovaném systému byly minimální. Vzhledem k tomu, že výzkum a vývoj v oblasti separačních technologií ve světě intenzivně pokračuje a je připravována řada pilotních projektů, lze očekávat v nejbližších 10 až 15 letech významný posun vedoucí k snížení nákladů a k příznivějším ekonomickým výsledkům.

Ukládání CO2

Obecně jsou 3 možnosti dalšího nakládání s odseparovaným CO2:

  • Využívání CO2 v průmyslu, především v chemickém a potravinářském. Jedná se o standardně zavedený segment obchodu, poptávka je plně kryta nabídkou. Zpravidla jde o zanedbatelnou část ve srovnání s objemy CO2 potenciálně separovatelnými.
  • Ukládání CO2 bez jeho dalšího využívání. Ve světě jsou rozvíjeny koncepce ukládání do (ekonomicky) dotěžených ropo-plynových struktur a ukládání do terestrických (či v zahraničí marinních) hlubinných salinních zvodní. Hlavní ideou pro ukládání CO2 do ložisek ropy a zemního plynu je náhrada vytěžených uhlovodíků vtláčeným CO2. Jedním ze základních předpokladů je hloubka ložiska větší než 800 m, umožňující uložení CO2 v superkritickém stavu o hustotě až několik stovek kg/m3. Při vhodných parametrech ložiska může být vtláčení CO2 současně metodou trvalého uložení CO2 do geologických struktur i metodou zvyšující výtěžnost ložiska.
  • Využívání CO2 ke zvýšení výtěžnosti ložisek kapalných a plynných fosilních paliv. Jedná se o technologie zvyšování výtěžnosti ropy (EOR - enhanced oil recovery), plynu (EGR - enhanced gas recovery) a metanu (ECBM - enhanced coal bed methane). EOR se aplikuje na mnoha místech na rozdíl od EGR, který je pouze ve fázi příprav pilotních projektů. Technologie EOR s přírodním CO2 se využívá v USA, Brazílii, Chorvatsku a Maďarsku, EOR s průmyslově produkovaným CO2 pak v USA a Kanadě (Weyburn). Naprostá většina produkce ropy z EOR pochází z USA (přes 90%), celosvětově tvoří však pouze několik desetin % z celkové těžby za rok. Vytěžitelnost ropných ložisek konvenčním způsobem je 25- 35% a aplikací EOR lze výtěžnost zvýšit o dalších 5-15%. Využití CO2 pro EOR spočívá v tzv. terciární fázi těžby, kdy aplikované médium, v tomto případě CO2, snižuje viskozitu ropy, zvyšuje tak její migraci v porézní struktuře a tudíž i vytěžitelnost. V odborných publikacích se uvádí, že 1 t vtláčeného CO2 zvýší výtěžnost o 2-3 barely ropy, V případě ložisek USA se uvádí rozmezí 1- 8 barelů. Aplikace EOR musí vycházet ze zhodnocení lokálních geologických podmínek; přenositelnost dat mezi lokalitami a ložisky je problematická a nevěrohodná.
  • V minulosti se zvažovalo rovněž přímé vtláčení spalin do podzemí. Byly provedeny i pilotní experimenty např. v Číně. Tato metoda se ukázala jako velmi problematická z důvodů korozních problémů, kolmatace vlivem obsahu partikulárních látek, atd.

Proces ukládání CO2 do podzemí patří celosvětově mezi problematiku novou a nerutinní, která vyžaduje řešení celé řady problémů

  • v oblasti technické- geologický a hydrogeologický průzkum lokalit, posouzení stability geologické struktury, propustnosti pro kapaliny a plyny, interakce CO2 s minerály; řešení transportu CO2, technologie vtláčení, výstroje vrtů, monitorování,
  • v oblasti bezpečnostní- posouzení rizika úniku,
  • v oblasti právní- příprava právního rámce vymezujícího povinnosti a odpovědnost zainteresovaných subjektů, zpřesnění existujících právních norem a formulace prováděcích návodů,
  • v oblasti legislativy- příprava jednotného legislativního rámce pro aktivity v oblasti ukládání CO2 , podmínky pro povolovací řízení.

Právním a legislativním aspektům je v posledních letech věnována velká pozornost v rámci mezinárodních aktivit OECD a IEA.

Integrované bezemisní energetické systémy

Kromě již uvedených klasických přístupů k zachycování CO2 jsou vyvíjeny celé nové komplexní technologické systémy využívající některých předností dříve zmíněných metod, zejména metody oxyfuel. Jsou to především tzv. pokročilé bezemisní systémy principiálně vycházející z koncepce společnosti Clean Energy Systems (CES). Podstatou systému CES je spalování uhlíkovodíkového paliva v plynném nebo tekutém stavu s kyslíkem při současném vstřikování vody a výrobě paroplynové směsi. Směs vodní páry a oxidu uhličitého o relativně vysokých parametrech je z generátoru paroplynové směsi vedena do turbíny, kde expanduje. K separaci CO2 dochází při kondenzaci páry v kondenzátoru turbíny. Jednoduchou demonstrační jednotku pokročilého bezemisního cyklu o výkonu 5 MWe zprovoznila CES v roce 2005 na elektrárně Kimberlina v USA. Demonstrační jednotky větších výkonů s návazností na ukládání CO2 jsou předmětem výzkumu v Norsku a v Holandsku. Byly zpracovány studie proveditelnosti pro demonstrační jednotku s výkonem blízkým 50 MWe.

V ČR byl přístup CES využit v návrhu projektu „Pokročilý bezemisní integrovaný energetický systém se separací CO2 a ukládáním do geologických formací“, který byl v letošním roce předložen do soutěže MPO o získání účelové podpory v rámci programu Tempus. Předmětem projektu je výzkum a vývoj integrovaného bezemisního systému, který spojuje vlastní výrobní energetickou jednotku s paroplynovou turbínou a separací CO2 se systémem transportu a ukládání CO2 do geologických formací a s využitím významné části CO2 ke zvyšování výtěžnosti ekonomicky dotěžených ropných struktur. Na návrhu projektu společně pracovalo 7 renomovaných pracovišť - ÚJV Řež a.s., ČVUT- fakulta strojní, VŠB- TU Ostrava, Universita Obrany v Brně, Siemens Industrial Turbomachinery, s.r.o., Ateko, a.s. a Moravské naftové doly, a.s.. Základní princip navrhovaného bezemisního systému je zřejmý z jednoduchého schéma tepelného oběhu na následujícím obrázku.

schéma tepelného oběhu

Systém je založen na spalování uhlovodíkových paliv v plynném nebo tekutém stavu. Spalovací komora je spojena s parogenerátorem do jedné komponenty - generátoru paroplynové směsi (1), ve kterém je spalováno uhlovodíkové palivo za vysokého tlaku s kyslíkem (10). Pracovní teplota je regulována vstřikováním vody (LH2O). Spalování probíhá za stechiometrických podmínek s vysokou účinností. Produkty spalování- voda a oxid uhličitý- spolu s odpařenou vstřikovanou vodou tvoří paroplynovou směs (VH2O + CO2), která je pracovní látkou vysokotlaké části energetického cyklu s paroplynovou turbínou (2). Tepelný oběh je v podstatě rozdělen do dvou částí - vysokotlakého (primárního) okruhu pracujícího s paroplynovou směsí (1, 2, 8, 7) a nízkotlakého (sekundárního), v němž je pracovním mediem pára a který je obdobný jako u klasických parních bloků (3, 4, 5, 6, 8).

Spojujícím článkem obou okruhů je separační parogenerátor (8), kde dochází ke kondenzaci parní složky při tlaku vyšším než atmosférickém a oddělení obou složek paroplynové směsi a současně je vyráběna pára pro nízkotlaký parní okruh. Odloučený nezkondenzovaný CO2 je ze separačního parogenerátoru odváděn, stlačen (9) a transportován na místo ukládání.

Zařazení separačního parogenerátoru (SPG) představuje, oproti přístupu CES se separací obou složek v turbínovém kondenzátoru, zcela nové efektivnější řešení cyklu. Separační parogenerátor významně usnadňuje odběr oxidu uhličitého, odstraňuje nebezpečí koroze průtočných částí turbiny a současně zajišťuje pracovní látku pro nízkotlaký okruh s klasickou parní turbínou.

Pro zajištění technické realizace navržené koncepce je součástí projektu výzkum a vývoj nových nekonvenčních komponent a subsystémů, především separačního parogenerátoru, paroplynové turbíny a generátoru paroplynové směsi.

Dle dosud provedených analýz je u popsaného energetického systému předpoklad dosažení vysoké účinnosti přeměny energie a konkurenceschopnosti vůči paroplynovým cyklům. Mimoto propojením vlastního energetického systému s využíváním odseparovaného CO2 ke zvýšení výtěžnosti ropy (EOR), případně plynu (EGR), se vytváří předpoklady pro dosažení příznivých ekonomických ukazatelů celého bezemisního integrovaného systému.

Hlavními výstupy projektu jsou technicko-ekonomická studie proveditelnosti navrženého systému a projektové a konstrukční návrhy komponent a subsystémů, které zatím nejsou komerčně k dispozici.

CCS a evropský výzkum

Problematice zachycování a ukládání CO2 z elektráren na fosilní paliva je věnována pozornost základního, aplikovaného a průmyslového výzkumu a vývoje ve všech průmyslově vyvinutých zemích. Pro ČR je pak relevantní především výzkum a vývoj organizovaný Evropskou komisí. V 5. rámcovém programu výzkumu a vývoje bylo řešeno celkem 9 projektů s příspěvkem EU více než 16 mil. EUR. Projekty řešené v rámci 6. rámcového programu (od r. 2002) jsou uvedeny v následující tabulce. Dokumentují šíři a význam řešení problematiky a zároveň tak představují důležitý informační zdroj.

Akronym Problematika Příspěvek EU (mil. EUR) Koordintor
ENCAP Pokročilé metody zachycování CO2 10,7 Vatenfall
CASTOR Řešení problematiky CO2 od zachycení až k uložení 8,5 IFP
CO2SINK Experimentální výzkum pro potřeby zachycování a ukládání CO2 8,7 GFZ Potsdam
CO2GEONET Mapování potenciálních geologických uložišť 6 BGS
ISSC Zplyňování pevných paliv a zachycování CO2 2 University of Suttgart

V 7. Rámcovém programu EU pro výzkum, vývoj a demonstrace (2007- 2013) je v tématické prioritě ENERGY (s celkovým rozpočtem 2,3 mld. EUR) věnována čistým uhelným technologiím a technologiím zachycování a ukládání CO2 mimořádná pozornost. Představují 2 z celkem 10 tématických oblastí.

ENERGY.5 - Technologie zachycování a ukládání CO2 pro bezemisní výrobu elektrické energie

ENERGY.6 - Čisté uhelné technologie

ENERGY.5&6 - Aktivity na rozhraní tématických oblastí 5, 6

Na základě aktuální výzvy Rámcového programu byl pro vypsané téma „ Poly-generation concept for coal fired power plants“ mezinárodním kolektivem potenciálních řešitelů připraven a v červnu 2007 Evropské komisi předložen návrh projektu „ Poly-generation with Carbon Dioxide Recycling- Demonstration of Synergy Approach“. Na přípravě projektu se podílela výzkumná pracoviště z 10 zemí vč. Ústavu jaderného výzkumu Řež. Koordinátorem a předkladatelem projektu je AGH Universita Krakow.

Podstatou návrhu je synergické propojení jaderné technologie jako zdroje tepla s technologií uhelnou produkující elektrickou energii a CO2 a následně s technologií chemické recyklace CO2 na metanol. Vlastní výrobní jednotkou elektřiny je klasický uhelný elektrárenský blok s technologií zachycování CO2 Oxyfuel. Kyslík potřebný pro spalování je vyráběn termochemickým štěpením vody, pro které je zdrojem energie vysokoteplotní reaktor. Oxid uhlíku zachycený v kotli spolu s vodíkem uvolněným štěpením vody jsou zavedeny do chemického reaktoru, kde procesem syntézy dochází k recyklaci CO2 na methanol. Cílem projektu je ověření takovéhoto integrovaného systému na pilotním zařízení.

Závěr

Závěrem lze konstatovat, že žádná z technologií potenciálně využitelných pro zachycování CO2 v energetických výrobnách a jeho ukládání není zatím dovedena do stavu uplatnění v energetice na komerční bázi. Výzkum a vývoj uvedených technologií pro potřeby energetiky je doveden do stadia výstavby demonstračních zařízení a přípravy pilotních projektů o výkonech výrazně nižších, než odpovídá kapacitním potřebám moderních elektrárenských bloků. Mimoto potenciální zařazení dosud známých technologií zachycování významně zhorší ekonomické ukazatele bloku.

Dovedení technologií zachycování a dalšího nakládání s CO2 k technické a ekonomické akceptovatelnosti v energetice si pravděpodobně vyžádá ještě několik let systematické intenzivní činnosti v oblasti základního, aplikovaného a průmyslového výzkumu ve všech průmyslově vyspělých zemích.

80 let Doc. Ing. Ferdinanda Neckáře, CSc.

24.8. oslavil Doc.Ing. Ferdinand Neckář, CSc., člen výboru ASI, významné životní jubileum – 80 let.

Po celou dobu svého působení na Strojní fakultě ČVUT, na kterou nastoupil v roce 1949, se věnoval studiu a prosazování progresivních technologických metod, zejména technologii obrábění v našem průmyslu. Zpočátku jako výzkumný pracovník ve Vědecko-výzkumné laboratoři obrábění a dílenského měření, později jako vedoucí tohoto pracoviště pracoval i v odborných komisích, které přesahovaly rámec fakulty.

Stal se členem redakční rady časopisů „Strojírenství,“ a „Brusivo a broušení“ a členem a předsedou komisí ve „Státním zkušebním ústavu“ v Jablonci nad Nisou, členem podnikové rady v podniku „Karborundum“ v Benátkách nad Jizerou.

Pravidelně se zúčastňoval celostátních a mezinárodních odborných konferencí, kde měl vždy referát o výsledcích výzkumné činnosti své a svých spolupracovníků a na řadě z nich se podílel jako spoluorganizátor.

Je spoluautorem celostátní učebnice „Technologie obrábění a montáží“ a Technického průvodce „Obrábění“. Výsledky výzkumné činnosti uvedl v několika desítkách výzkumných zpráv a publikoval je v řadě sborníků z vědeckých konferencí.

V oblasti pedagogické činnosti přednášel „Vybrané statě z teorie úběru“ pro specializaci „Strojírenská technologie“, z této problematiky byla vydána skripta. Do této oblasti patří jeho činnost v komisích pro obhajoby diplomových, kandidátských a habilitačních prací, kterou vykonával na strojních fakultách v Čechách i na Slovensku.

V roce 1964 podal habilitační práci „Zbytková pnutí a jejich vliv na kontaktní únavu“ a téhož roku byl jmenován docentem.

Rozsáhlá byla jeho spolupráce s průmyslem, např.: s ČKD, podniky leteckého průmyslu (Motorlet, Let Kunovice, LOM) a s výzkumnými ústavy jako SVÚM Praha, VUVL Brno, VÚOSO Praha a řadou dalších. S využitím svých kontaktů dokázal ustavit neformální pracovní týmy, složené z vývojových pracovníků těchto organizací, absolventů fakulty strojní, které se významným způsobem podílely na úspěšném řešení výrobně technologických problémů řady exportních zakázek našeho průmyslu v oblasti letecké techniky a kosmického výzkumu.

Podle požadavků průmyslu se věnoval zejména problematice:

  • broušení
  • vlivu technologických procesů na kvalitu povrchové vrstvy
  • zbytkových pnutí v povrchové vrstvě obrobených ploch (vyvinul původní metodiku měření zbytkových pnutí v povrchové vrstvě součástí a navrhl nový způsob zjišťování kontaktní únavy součástí)
  • obrobitelnosti těžko obrobitelných materiálů (žárupevné materiály a korozivzdorné oceli na výrobu lopatek spalovacích turbin a turbokompresorů).

V těchto oborech se stal uznávaným odborníkem Při řešení těchto odborných problémů vznikaly některé originální výsledky, z nichž pět bylo patentováno.Za nejvýznamnější je považováno využití návrhu zařízení a způsob měření zbytkových napětí v povrchové vrstvě obrobků.

Doc. Neckář je nositelem mnoha čestných uznání, pamětních medailí strojních fakult, výzkumných ústavů a některých našich předních závodů. Lze uvést bronzovou a stříbrnou Felberovu medaili, pamětní Hasovu medaili, medaili prof. Hýbla, prof. Rysky. Čestných uznání se mu dostalo např. Od: ČKD, VÚVL, SVÚM, některých strojních fakult v Čechách i na Slovensku, Naposled (v roce 2004) byl za významné zásluhy pro rozvoj FS ČVUT poctěn Medailí FS ČVUT.

V listopadu 1989 byl spoluzakladatelem OF na fakultě a jedním z jeho mluvčích. Byl zvolen do Akademických senátů FS a ČVUT, kde byly oceňovány jeho aktivity. Byl v té době rovněž jmenován členem Vědecké rady fakulty strojní TU Liberec, na základě jejího návrhu byl ustanoven členem Akreditační komise MŠMTV, hodnotící úroveň a perspektivy všech strojních fakult v ČR.

Do důchodu odcházel v roce 1994 jako vedoucí vědecký pracovník a už jako důchodce se podílel v roce 1998 na založení Klubu seniorů FS a dosud je jeho předsedou.

Výbor ASI (MAP) přeje doc. Neckářovi do dalších let hodně zdraví a těší se na další aktivity s ním.

Šedesátiny Doc. Ing. Václava Cyruse, DrSc.

Náš jubilant nám svojí angažovaností pořád připomíná, že máme stále ještě schopné lidi, ochotné pracovat jak pro rozvoj samotných inženýrských věd, tak i pro výuku inženýrských kádrů, nebo v profesních organizacích pro zvýšení prestiže inženýrského stavu. Za toto optimistické zjištění jsme mu upřímně vděčni. Pro něj osobně neznamená šedesátka žádný mezník, pro nás ostatní je však dobrou příležitostí k tomu, abychom si připomenuli, co všechno dokázal.

Václav Cyrus se narodil 11.9.1947 v Nymburce. V roce 1971 ukončil s vyznamenáním studium na Fakultě strojní ČVUT v Praze a nastoupil do odboru Mechanika tekutin tehdejšího Státního výzkumného ústavu pro stavbu strojů (SVÚSS) v Praze-Běchovicích, kde se v roce 1987 stal vedoucím oddělení „Turbokompresory a ventilátory“, v roce 1990 pak zástupcem vedoucího odboru „Mechanika tekutin“. Zabýval se vnitřní aerodynamikou, především teoretickým i experimentálním výzkumem osových kompresorů, většinou pro potřeby závodu ČKD Kompresory. Výsledky jeho systematických původních prací v tomto oboru byly natolik významné, že se staly předmětem jak jeho kandidátské práce (obhájené v roce 1980), tak i práce doktorské (obhájené v roce 1990 s názvem „Třírozměrné proudění v osovém kompresoru a jeho modelování při stanovení aerodynamických charakteristik“).

Po rozpadu SVÚSS, v roce 1995, založil se svými spolupracovníky inženýrskou firmu AHT Energetika s.r.o., kde pracuje jako jednatel. I tady pokračuje v aplikovaném výzkumu aerodynamiky lopatkových strojů pro potřeby českých strojírenských podniků. V poslední době se věnuje především problematice aerodynamického návrhu osových i radiálních ventilátorů s progresivními parametry pro energetiku, větrání dopravních tunelů a aerodynamické tunely automobilek na základě hospodářských smluv se ZVVZ Milevsko. Návrhy ověřuje se svými kolegy na modelových experimentálních zařízeních v laboratoři v Běchovicích a na zkušebně Milevsku. Desítky navržených ventilátorů, jež byly vyrobeny v ZVVZ, pracují na elektrárnách a v tunelech doma i v zahraničí. Kromě hlavního oboru je ještě aktivní i v oblasti chlazení spalovacích motorů pro podnik Škoda Auto a.s. Rovněž se věnuje řešení různých provozních problémů v uhelných elektrárnách. Také se zabývá řešením havárií ventilátorů a poškození lopatek kompresoru spalovací turbíny v důsledku nestacionárního proudění. Získal několik grantů GAČR a MPO, v rámci nichž se zabývá vědeckým řešením problémů vnitřní aerodynamiky lopatkových strojů.

Václav Cyrus je autorem a spoluautorem cca 150 výzkumných zpráv a 60 článků publikovaných v různých prestižních časopisech (např.TASME) a sbornících. Nejdůležitější výsledky své vědecké práce presentoval zejména na konferencích a kongresech americké společnosti strojních inženýrů ASME. Jedná se o 14 publikací. Některé práce zabývající se provozem turbostrojů byly uveřejněny na konferencích britských (IME) a německých (VDI) inženýrů. V americké a německé literatuře lze nalézt několik desítek odkazů na jeho práce. Je autorem monografie věnované sekundárnímu proudění v axiálních kompresorech. Externě přednáší na ČVUT v Praze, kde se v roce 2006 habilitoval, a kde vedl a vede i několik doktorandů. Zde je členem komisí pro obhajoby doktorských disertačních prací a v oborové radě. Řadu let pracoval v komisích České grantové agentury ( GAČR ). V letech 1991 až 1998 byl dopisujícím členem Evropské společnosti pro proudění, turbulenci a spalování (ERCOFTAC). Je členem výboru Asociace strojních inženýrů, kde se angažuje nejen v organizaci odborných seminářů,ale i jako člen redakční rady Bulletinu ASI.

Václav Cyrus má i doma své pokračovatele, jeho oba synové pokračují v rodinné tradici jako inženýři.

Koníčkem jubilantovým je chalupaření , turistika a studium historické literatury. My všichni mu přejeme, aby si toho i při svém ohromném pracovním nasazení dokázal ve zdraví a dobré pohodě pěkně užít A protože si vážíme výsledků jeho práce i přátelské spolupráce doufáme, že se z ní budeme společně těšit ještě po mnoho dalších let.

Výbor Asociace strojních inženýrů

  • Jméno: Doc. Ing. Václav Cyrus, DrSc
  • Narozen: v Nymburce
  • Bydliště: Praha 6, Čs. armády 4
  • Zaměstnání: AHT Energetika s.r.o., Praha 9 - Běchovice, PSČ 190 11, Podnikatelská 550

Životní jubileum Ing. Františka VDOLEČKA, CSc. (50)

Ing. František VDOLEČEK, CSc.

V roce 2007 oslavil své padesáté narozeniny jeden ze zakládajících členů brněnského klubu a jeho dlouholetý pokladník – Ing. František Vdoleček, CSc. Narodil se 22. března 1957 v Kroměříži. Aktivně se podílí na činnosti brněnského klubu a po celou dobu jeho existence je nejen členem jeho výboru, ale rovněž zástupcem brněnského klubu ve výboru celorepublikovém.

Ing. Vdoleček je absolventem Fakulty strojní VUT v Brně v oboru přístrojová, regulační a automatizační technika, interní aspiranturu absolvoval rovněž na této fakultě v oboru strojírenská technologie. Většina jeho odborného působení je spjata s Fakultou strojního inženýrství ( dříve strojní) VUT v Brně, kde působí od roku 1986 jako odborný asistent. V současné době je již řadu let také tajemníkem Ústavu automatizace a informatiky. Na tomto pracovišti garantuje výuku předmětů: Automatická diagnostika, Měřicí technika, Spolehlivost a diagnostika, Technická měření, Základy teorie měření..

Ve své pedagogické, vědecké i odborné činnosti se věnuje rovněž především následujícím oblastem:

  • obecná metrologie,
  • technická měření,
  • chyby a nejistoty měření,
  • technická diagnostika.

Kromě své aktivní činnosti v naší Asociaci strojních inženýrů je dále členem:

  • Asociace technických diagnostiků, ČR,
  • Českomoravské společnosti pro automatizaci,
  • České metrologické společnosti,
  • Českého národního komitétu IMEKO,
  • České matice technické.

Výbor klubu A.S.I. Brno i celorepublikový výbor mu k jeho významnému životnímu jubileu přejí i jménem všech členů A.S.I. do mnoha dalších let pevné zdraví hodně elánu a úspěchů v tvůrčí práci i osobním životě.

Prof. Píštěk má sedmdesátiny

Prof. Píštěk

Řekne-li se prof. Píštěk, vybaví se většině pedagogů, studentů i zaměstnanců leteckého průmyslu člověk plný nápadů a energie spojený snad nejvíce s letounem VUT 100. Ale není to jen známá Cobra, ale i celá řada letadel, která nesou rukopis tohoto šéfkonstruktéra, pedagoga a ředitele Leteckého ústavu, který již 15 let předává své znalosti a zkušenosti studentům Vysokého učení technického v Brně.

Dne 1.6.2007 se pan prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. dožil při plném pracovním nasazení rovných sedmdesáti let. Proto si dovolujeme popřát mu k tomuto životnímu jubileu stále mnoho sil a životního elánu.

Životní dráha pana profesora spojená s letectvím začala absolvováním Střední průmyslové školy strojnické se zaměřením na letectví v Uherském Hradišti (1957) a následným dálkovým vysokoškolským vzděláním na Vojenské akademii Brno v oboru stavba letadel. Od roku 1957 byl Prof. Píštěk zaměstnancem LETu Kunovice v oddělení pevnostních výpočtů, kde se mimo jiné podílel na vzniku významných letounů jako L-200 Morava, Z-37 Čmelák a L-410. Postupně díky svým znalostem a zkušenostem se stal vedoucím oddělení a nakonec i hlavním konstruktérem letounu L-610 (1990). Pro svůj zájem o vše nové se významně zapojil do rozvoje numerických metod v podniku, absolvoval postgraduální studium „Numerické metody a programování“ na VUT Brno a na Vojenské akademii externí aspiranturu na téma“ Optimalizace leteckých konstrukcí s využitím MKP“ (1981). Od roku 1991 pracoval jako vedoucí projekce letadel v Moravanu a.s, ale již v roce 1991 habilitoval na FS VUT v Brně a v roce 1992 se stává vedoucím tehdejší katedry letadel na FS VUT v Brně.

Tímto krokem začala pedagogická dráha života pana profesora, ale nejenom ona. Vývoj v letectví v polistopadové době umožnil realizovat myšlenky pana profesora v další velmi významné projekty. Nejprve se jednalo o tehdy nadčasový ultralehký letoun KP- 2 U Sova (1995), následně VUT 100 Cobra (2000 – 2006) a nyní již běží vývoj dalšího letounu VUT 001 Marabu.

Schopnosti pana profesora mu umožnily stát se členem Advisory Group pro letectví v 6RP při Evropské komisi a mnoho dalších významných národních i mezinárodních funkcí. Mezinárodní renomé pak napomohlo při zapojení Leteckého ústavu do mnoha zahraničních projektů, v některých ve velmi významných pozicích. Jako příklad lze uvést projekt ENFICA-FC, zaměřený na užití palivových článků pro pohon letadel.

Profesor Píštěk je jedním ze zakládajících členů Asociace strojních inženýrů, od jejího počátku v roce 1991 se aktivně zapojil především do činnosti brněnského klubu a je rovněž dlouhodobým aktivním členem poradního orgánu A.S.I. – senátu.

Přejeme Vám tedy pane profesore, mnoho životního temperamentu, zdraví a tvůrčích úspěchů do dalších let.

Za kolektiv LÚ FSI VUT i brněnského klubu A.S.I.

doc. Juračka