Koncepcyjny układ hybrydowy Mała Elektrownia Wodna Mikrobiogazownia na terenie wiejskim powiatu Suskiego

Transkrypt

1 Koncepcyjny układ hybrydowy Mała Elektrownia Wodna Mikrobiogazownia na terenie wiejskim powiatu Suskiego inż. Szymon Żurek Politechnika Śląska Kierunek studiów: Elektrotechnika Rodzaj studiów: II stopnia Przedmiot: Zarządzanie i organizacja w elektroenergetyce Prowadzący: prof. dr hab. inż. Jan Popczyk Rok akademicki: 2012/2013

2 1. Wprowadzenie: Opracowanie ma na celu stworzenie koncepcji hybrydowego zespołu generacyjnego opartego na następujących technologiach: MEW (małej elektrowni wodnej) i mikrobiogazowni oraz przedstawieniu korzyści w oparciu o gospodarstwo znajdujące się w powiecie Suskim. 2. Charakterystyka powiatu Suskiego: Powiat suski leży w Beskidach, na południowo-zachodnim krańcu województwa małopolskiego i graniczy od zachodu z powiatem żywieckim w województwie śląskim, od północy i wschodu z trzema innymi powiatami wchodzącymi w skład województwa małopolskiego: wadowickim, myślenickim i nowotarskim, a od południa z okresem Namiestovo na Słowacji. Jest to obszar typowo górski, a naturalne bogactwo regionu stanowią lasy, zajmujące niemal 50 % jego powierzchni. Powiat suski obejmuje 9 gmin, które tworzą: dwa miasta (Sucha Beskidzka, Jordanów), jedna gmina miejsko-wiejska (Maków Podhalański) i sześć gmin wiejskich (Budzów, Bystra-Sidzina, Jordanów, Stryszawa, Zawoja, Zembrzyce). W skład powiatu wchodzi łącznie 37 miejscowości. Od wielu lat coraz większego znaczenia nabiera przemysł przetwórczy, sektor małych i drobnych przedsiębiorstw, handel i usługi, będące motorem lokalnego rozwoju i podstawą dochodu mieszkańców regionu.

3 Na powyższej mapie widzimy zarys najważniejszych rzek rozpatrywanego regionu. Główną rzeką regionu jest Skawa (o przepływie 12 m 3 /s), która ma sieć dopływów rozsianą po całym powiecie. Największymi dopływami są: Stryszawka(2,8 m 3 /s), Skawica (2,5 m 3 /s) i Paleczka (1,7 m 3 /s). W korytach tych rzek są wybudowane średnio co 100 metrów baseny kąpielowe, które są pozostałościami po poprzednim ustroju. Baseny te stopniują bieg rzeki i tworzą idealne warunki do budowy małych elektrowni wodnych, gdyż miejsca te zapewniają optymalną różnicę poziomów, a do tego znajdują się bardzo blisko domostw, gdyż wsie leżą wzdłuż koryt rzek. Kolejną zaletą tego regionu Polski (w kontekście proponowanego rozwiązania technologicznego) jest fakt, że rolnictwo regionu jest w dobrej kondycji. Rolnicy posiadają dużą ilość bydła, oraz uprawiają ziemie, a co za tym idzie posiadają znaczne ilości substratu do produkcji biogazu.

4 3. Wybór technologii poszczególnych urządzeń: Proponowany układ hybrydowy jest tak przemyślany, aby produkować jak największą ilość energii przez jak najdłuższy okres czasu. Na tle konkurencji, czyli układu hybrydowego składającego się z ogniwa PV, wiatraka oraz samochodu elektrycznego wypada bardzo dobrze, gdyż energia pierwotna zostaje dostarczana w sposób ciągły, w przynajmniej jednym z urządzeń. Mikrobiogazownia jest w stanie produkować energię bez przestojów w pracy, natomiast skala produkcji w MEW jest uzależniona od aktualnego przepływu wody w rzece. Istnieją sposoby na częściowe odstrojenie się od tej niedogodności poprzez budowę zbiornika gromadzącego wodę znajdującego się w korycie rzeki. Technologia MEW: Istnieje wiele technologii budowy małych elektrowni wodnych, zależnych od typu zastosowanej turbiny wodnej. W naszym przypadku najbardziej odpowiednim typem turbiny będzie turbina ślimakowa typu Semi-Compact, gdyż posiada szeroki zakres pracy.

5 Turbina ślimakowa (Archimedesa) jest sposobem na rozwiązanie najczęstszych przeszkód stojących na drodze rozwoju małej energetyki wodnej, do których zalicza się niewystarczające spady i przepływy na najmniejszych rzekach oraz kwestie środowiskowe związane z utrudnieniem migracji ryb. Prosta i trwała konstrukcja minimalizuje awaryjność, podatność na uszkodzenia i koszty utrzymania turbiny. Wpływają na to: niska prędkość obrotowa ślimacznicy (20-40 obrotów na minutę), zmniejszająca zużycie łożysk oraz stosowanie dodatkowych powłok z kompozytów ceramicznych, chroniących przed korozją i uszkodzeniami mechanicznymi, wywołanymi przepływem np. materiału rzecznego, gałęzi, butelek. Te cechy gwarantują żywotność turbiny na poziomie lat. Co więcej sama konstrukcja turbiny pozwala na zmniejszenie kosztów związanych z nadzorem obiektu i pracami bieżącymi. Wynika to z faktu dużej odporności na różne obiekty płynące z nurtem rzeki, takie jak liście, gałęzie, trzcina, śmieci. Łatwy dostęp do wszystkich elementów ułatwia kontrolę elektrowni wodnej, a mrozy w mniejszym stopniu wpływają na zatrzymanie turbiny. Turbiny Archimedesa idealnie nadają się do stosowania na bardzo niskich spadach, poczynając już od 1 metra. Górna granica to 10 metrów, ze względu na rozmiary turbiny. Dodatkowo do jej funkcjonowania wystarczy przepływ 100 l/s. Górna wartość tego parametru to l/s. Dzięki temu racjonalne staje się wykorzystanie rzek, na których instalacja turbin Francisa czy Kaplana byłaby po prostu nieopłacalna. Omawiane turbiny są dostępne w przedziale mocy od 1 do 250 kw. Wysoka wydajność ma znaczenie zwłaszcza przy najniższych przepływach, przy których turbiny innych typów nie mogą pracować. Turbina Archimedesa dysponuje niemal maksymalną sprawnością już przy 1/3 przepływu nominalnego. Turbina typu Semi-compact (

6 Technologia Mikrobiogazowni: Mikrobiogazownia to instalacja, w której w procesie fermentacji beztlenowej substancji organicznych jest produkowane paliwo gazowe składające się głównie z metanu i dwutlenku węgla. Standardowo biogazownie są wyposażone w agregaty kogeneracyjne pozwalające na konwersję biogazu do energii elektrycznej i ciepła z wysoką sprawnością. Poza energią użytecznym produktem końcowym są także przefermentowane nawozy stanowiące wartość dodaną do podstawowej produkcji roślinnej. Uproszczony schemat procesu fermentacji metanowej Proponuje się wykorzystanie kontenerowej mikrobiogazowni modułowej, wykorzystującej fermentacje suchą o mocy kogeneratora 25 kw. Systemy w zabudowie kontenerowej, jako obiekty trwale niezwiązane z gruntem nie wymagają pozwolenia na budowę, dlatego procedura wdrożenia jest prostsza i krótsza. Do zasilania modułu 25 kw potrzeba rocznie ok. 230 ton suchej masy różnego rodzaju substancji organicznej, np. 500 ton gnojownicy bydlęcej ton obornika ton zakiszonej trawy. Przekrój kontenera fermentacyjnego (

7 Kolejną zaletą tej technologii jest możliwość uzyskania dotacji unijnej na sfinansowanie budowy w ramach działania Różnicowanie w kierunku działalności nierolniczej Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich na lata Na budowę instalacji do wytwarzania biogazu rolniczego (definicja Art. 2 pkt. 20a, Prawo Energetyczne: paliwo gazowe otrzymywane z surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych lub pozostałości przemysłu rolno-spożywczego lub biomasy leśnej w procesie fermentacji metanowej) i energii elektrycznej z biogazu rolniczego można otrzymać 50% refundacji realnie poniesionych kosztów, natomiast tzw. powodzianie do 80% - w przypadku wystąpienia szkody w gospodarstwie rolnym rolnika, spowodowanej co najmniej przez jedno ze zdarzeń losowych wymienionych w art. 3 ust. 2 pkt. 2-11a ustawy z dnia 7 lipca 2005r. o ubezpieczeniach upraw rolnych i zwierząt gospodarskich (Dz. U. Nr 150, poz. 1249, z poźn. zm. 3) ale nie więcej niż 500 tys. złotych netto. 4. Koncepcja przyłączenia do sieci Rozpatrywany układ posiada stosunkowo małą moc wytwarzaną, rzędu 100 kw. Moc taka może z powodzeniem wpływać do sieci niskiego napięcia poprzez przyłącze domowe. Część energii elektrycznej będzie zużywana na potrzeby gospodarstwa domowego, natomiast jej nadmiar będzie sprzedawany do sieci elektroenergetycznej. Produkowane ciepło będzie zasilało gospodarstwo domowe. Układ wykorzystywany do podłączenia urządzeń do sieci wykorzystuje dwie technologie generacji energii oraz jedną technologie zasobnikową, jaką jest samochód elektryczny. (Schemat technologiczny został pokazany na następnej stronie). 5. Zarządzanie instalacją Dla potrzeb zarządzania instalacją stworzono specjalny interfejs użytkownika, który będzie sprzężony z inteligentnym licznikiem. Interfejs ten będzie posiadał możliwość kontrolowania całego procesu produkcyjnego energii w poszczególnych obiektach. Proces produkcyjny nie jest skomplikowany, lecz rolnik będzie miał możliwość podglądu bieżącej produkcji energii elektrycznej, parametrów procesu produkcji fermentacji, ilości produkowanego biogazu, aktualnego przepływu wody w rzece, itp.. Kolejnym zadaniem interfejsu będzie kontrola działania obiektów rolnik będzie mógł wprowadzać korekty w działaniu układu, uruchamiać i wyłączać poszczególne obiekty. Następną (i najważniejszą z punktu widzenia realizacji celów pakietu 3x20) funkcją tego rozwiązania jest zbieranie danych o ilości produkcji energii elektrycznej oraz ilości wyprodukowanego ciepła na potrzeby rozliczenia realizacji celów pakietu 3x20. Dane te zostaną wysłane drogą elektroniczną do operatora systemu rozliczeń celów pakietu 3x20.

8

9 6. Korzyści wynikające z zastosowanego rozwiązania technicznego Do oszacowania korzyści wynikających z obydwu technologii przeprowadzono symulację w kalkulatorze inwestycji znajdującym się na stronie internetowej Oto wyniki kalkulacji: Elektrownia Stryszawka DANE WEJŚCIOWE: rzeki o umiarkowanej Charakterystyka przepływów: zmienności przepływu Szerokość rzeki [m]: 10 Średnia wartość przepływów [m 3 /s]: 2,8 Przepływ użyteczny [m 3 /s]: 2,52 Spad niwelacyjny (brutto) [m]: 3 Spad użyteczny (netto) [m]: 2,91 Cena jednostkowa energii elektrycznej za 1 MWh [zł/mwh]: 197,32 zł Cena zielonego świadectwa pochodzenia [zł/mwh]: 286,00 zł DANE WYJŚCIOWE: Teoretyczna moc instalowania elektrowni [kw]: 115,2 Roczna produkcja energii elektrycznej [MWh]: 504,816 Średnioroczne wykorzystanie mocy nominalnej [%]: 50 Średnia moc z jaką będzie pracować turbina [kw]: 57,6 Średnia miesięczna produkcja energii elektrycznej [MWh]: 42,068 Średnia dobowa produkcja energii elektrycznej [MWh]: 1,382 Zaoszczędzona ilość węgla [ton/rok] 226 Ilość zasilonych gospodarstw domowych: 296 OGRANICZENIE EMISJI SZKODLIWYCH SUBSTANCJI [tony/rok]: CO 2 405,6 SO 2 18,8 NO 2 12 CO 10,2 Pyły 1,4

10 Roczne przychody ze sprzedaży energii [PLN]: Roczne przychody ze sprzedaży świadectw pochodzenia [PLN]: Całkowite roczne przychody [PLN]: Całkowite koszty inwestycyjne [PLN]: Rzeczywiste koszty inwestycyjne [PLN]: Roczne koszty eksploatacyjne [PLN]: Zysk roczny [PLN]: Czas zwrotu nakładów (lata): 10,8 Symulacja korzyści w przypadku mikrobiogazowni: MIKROBIOGAZOWNIA SUBSTRATY gnojowica bydlęca [tony/rok] 511 obornik kurzy [tony/rok] 1060 obierki ziemniaka [tony/rok] 2 kiszonka kukurydzy [tony/rok] 500 UKŁAD KOGENERACYJNY: Teoretyczna moc elektryczna [kwe] 50 Teoretyczna moc cieplna [kwt] 51 ROCZNA PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Całkowita produkcja energii elektrycznej [MWhe/rok] 397 Energia elektryczna na cele procesowe [MWhe/rok] 36 Nadwyżka energii elektrycznej na sprzedaż [MWhe/rok] 361 W przypadku mikrobiogazowni przeprowadzono dwie kalkulacje, które różną się między sobą sprzedażą energii cieplnej do sieci. W przypadku A energia cieplna jest w całości wykorzystywana w gospodarstwie, natomiast w przypadku B ¾ energii możliwej do sprzedaży jest sprzedawane do sieci ciepłowniczej gminy.

11 ROCZNA PRODUKCJA CIEPŁA A - BEZ SPRZEDAŻY CIEPŁA B - SPRZEDAŻ 3/4 WYPRODUKOWANEGO CIEPŁA A B Całkowita produkcja ciepła [GJ/rok] Ciepło na cele procesowe [GJ/rok] Nadwyżka ciepła możliwa na sprzedaż [GJ/rok] Ciepło sprzedane [GJ/rok] EEKTY PROCESU FERMENTACJI Łączna produkcja biogazu [m 3 /rok] Łączna produkcja metanu [m 3 /rok] Łączna produkcja pofermentu [tony/rok] 1866 Łączny roczny wsad substratów [tony/rok] 2073 Średnia wartość metanu w biogazie [%] 58 Sucha masa mieszanki [%] 25 EFEKTY ŚRODOWISKOWE Zaoszczędzona ilość węgla kamiennego [tony/rok] Ilość zasilonych gospodarstw domowych OGRANICZENIE EMISJI SZKODLIWYCH SUBSTANCJI [tony/rok]: CO SO NO CO 7 12 Pyły 1 2 PRZYCHODY PODSTAWOWE Cena jednostkowa energii elektrycznej [zł/mwh] 195,32 Cena zielonego świadectwa pochodzenia [zł/mwh] 267,16 Cena jednostkowa ciepła sieciowego [zł/gj] 25 Roczne przychody (PLN) Roczne przychody ze sprzedaży energii elektrycznej Roczne przychody ze sprzedaży ciepła Roczne przychody ze sprzedaży świadectw pochodzenia 96500

12 Roczne koszty (PLN) Stałe koszty eksploatacyjne Łączny koszt substratów Roczna wartośc amortyzacji przy 25-letnim okresie eksploatacji Całkowite roczne koszty ROCZNY ZYSK (mln PLN) 0,04 0,07 KOSZTY INWESTYCYJNE SIECI CIEPŁOWNICZEJ (50 m) (zł) CAŁKOWITE KOSZTY INWESTYCYJNE (mln zł) 0,75 0,8 CZAS ZWROTU KOSZTÓW (miesiące) Zestawienie korzyści dla obu technologii: Źródło MEW Biogazownia RAZEM Teoretyczna moc elektryczna elektrowni [kw]: 115, ,2 Teoretyczna moc cieplna elektrowni [kw]: Roczna produkcja ciepła [GJ/rok]: Roczna produkcja energii elektrycznej [MWh]: 504, ,816 Średnia moc z jaką będzie pracować turbina [kw]: 57, ,6 Zaoszczędzona ilość węgla [ton/rok] Ilość zasilonych gospodarstw domowych: OGRANICZENIE EMISJI SZKODLIWYCH SUBSTANCJI [tony/rok]: CO 2 405, ,6 903,6 SO 2 18, ,8 41,8 NO CO 10, ,2 22,2 Pyły 1, ,4 3,4 Całkowite koszty inwestycyjne (mln zł) 1,33 0,75 0,8 2,08 2,13 Roczny zysk (mln PLN) 0,23 0,04 0,07 0,27 0,3 Całkowity czas zwrotu nakładów (miesiące)

13 7. Podsumowanie: Rozwiązanie technologiczne łączące w sobie małą elektrownie wodną (gdzie nie możemy jednoznacznie określić grafiku pracy jednostki) oraz mikrobiogazownię (gdzie znamy grafik pracy jednostki) jest bardzo dobre z punktu widzenia przewidywania kosztów oraz zysku z inwestycji. Ponadto prosument wykorzystujący takie rozwiązanie posiada bardzo dobrą jakość oraz pewność zasilania. Kolejnym argumentem jest uniezależnienie gospodarstwa od konwencjonalnego źródła ciepła. Szeroki zakres sprzedaży energii zarówno elektrycznej jak i cieplnej stwarza nowe możliwości rozwojowe gospodarstwa oraz znacznie polepsza komfort życia na wsi. Całej inwestycji towarzyszy przeświadczenie rolnika o byciu ekologicznym, natomiast gmina może poszczycić się dbaniem o środowisko oraz wspieraniu pakietu 3x20, ponieważ dzięki zastosowaniu liczników energii elektrycznej na wyprowadzeniu mocy z generatorów oraz licznika ciepła możemy zagłosić tą energie jako realizację pakietu 3x20.

14 8. Bibliografia: %20KMR%20%20Jan%20Popczyk,%20Andrzej%20Jurkiewicz.pdf 7. Wykłady z przedmiotu dotyczące ilab EPRO prof. Jan Popczyk