NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII DLA BUDYNKÓW WYKŁAD ANALIZA ALTERNATYWNYCH SYSTEMÓW ZASILANIA W ENERGIĘ BUDYNKU

Transkrypt

1 NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII DLA BUDYNKÓW WYKŁAD ANALIZA ALTERNATYWNYCH SYSTEMÓW ZASILANIA W ENERGIĘ BUDYNKU Dr inż. Andrzej Wiszniewski Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechnika Warszawska

2 Recast Dyrektywy EPBD 2010 Artykuł 6 1. Kraje Członkowskie powinny podjąć niezbędne kroki w celu zapewnienia, aby wszystkie nowo wznoszone budynki spełniały minimalne wymagania dotyczące charakterystyki energetycznej, określonej zgodnie z wymaganiami podanymi w Artykule 4. Dla budynków nowo wznoszonych Kraje Członkowskie powinny zapewnić, przed rozpoczęciem budowy, opracowanie technicznej, środowiskowej i ekonomicznej analizy wykonalności zastosowania alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię wymienionych poniżej, o ile są dostępne: a) indywidualne systemy zaopatrzenia w energię wykorzystujące odnawialne nośniki energii; b) źródła produkujące ciepło i energię elektryczną w skojarzeniu; c) scentralizowane bądź lokalne systemy ciepłownicze, szczególnie gdy są zasilane w całości lub częściowo odnawialnymi źródłami energii; d) pompy ciepła. 2. Kraje Członkowskie powinny zapewnić odpowiednie środki aby fakt przeprowadzenia analizy o której mowa w paragrafie 1 był udokumentowany, zaś dokumentacja dostępna w celu weryfikacji. 3. Analiza zasadności zastosowania alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię może być przeprowadzona indywidualnie dla każdego budynku lub dla grupy budynków tego samego typu położonych blisko siebie. W przypadku gdy rozpatrywany jest scentralizowany system zaopatrzenia w ciepło lub chłód, analiza może być wykonana dla wszystkich budynków danej lokalizacji, przyłączonych do systemu.

3 Recast Dyrektywy EPBD 2018 Artykuł 6 z dnia 30 maja 2018r. 1. Państwa członkowskie przyjmują niezbędne środki w celu zapewnienia, aby nowe budynki spełniały minimalne wymagania dotyczące charakterystyki energetycznej określone zgodnie z art Państwa członkowskie zapewniają, aby przed rozpoczęciem budowy nowych budynków uwzględnione zostały techniczne, środowiskowe i ekonomiczne możliwości realizacji wysoce wydajnych systemów. ; Polska nie zharmonizowała jeszcze prawa z tym dokumentem, zatem obowiązują dotychczasowe przepisy.

4 Metodyka analizy systemów zasilania w energie budynków obejmuje : określenie listy technologii oraz nośników energii możliwych do zastosowania w rozpatrywanym budynku; wybór nośników energii oraz stosowanych technologii, biorący pod uwagę warunki przyłączenia do sieci, niezawodność i warunki dostaw poszczególnych nośników energii w miejscu lokalizacji budynku; porównanie wybranych rozwiązań pod względem wpływu na środowisko oraz ekonomicznym; jednolitą formę raportu, który będzie wzorem dla projektanta dla prezentacji wyników analizy.

5 Kryteria wyboru Przy podejmowaniu decyzji o wyborze rodzaju źródła energii dla budynku należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: Dostępność i pewność zasilania w wybrany nośnik energii. Oczekiwane koszty zaopatrzenia w energię w cyklu życia, Wpływ na stan środowiska.

6 LOKALIZACJA Ustalenie dostępnych nośników energii Charakterystyka energetyczna budynku Warunki przył. do sieci (el., gaz, ciepło) WYBÓR SCHEMATÓW ZASILANIA SYSTEM PODSTAWOWY SYSTEMY ALTERNATYWNE Sieć cieplna Sieć elektr. Sieć gazowa Kotł. lokalna Kolekt. Słon. Pompa ciepła Biomasa PV. CHP. PROCEDURY Podział podst./ szczyt TAK HYBRYDA? Koszty inwestycyjne Koszty eksploatacyjne Kalkulator taryf OBLICZENIA Ekonomiczne Emisja OBLICZENIA SZCZYT Ekonomiczne Emisja OBLICZENIA PODSTAWA Ekonomiczne Emisja OBLICZENIA Ekonomiczne Emisja NIE Emisja Inne RAPORT

7 Lista technologii i nośników energii kolektory słoneczne cieczowe i powietrzne, gruntowe pompy ciepła, gruntowe wymienniki ciepła, blokowe urządzenia do produkcji ciepła i energii elektrycznej oparte na silnikach tłokowych i mikroturbinach, silniki Stirlinga, ogniwa paliwowe, ogniwa fotowoltaiczne, ciepło z miejskiej sieci ciepłowniczej, ciepło z kotłowni lokalnej, kombinacja ww. źródeł, inne źródła.

8 Dostępność nośników energii Infrastruktura komunalna Plan zaopatrzenia w energię Warunki przyłączenia koszty Lokalny rynek paliw Warunki lokalowe miejsce na źródło Przestrzeń magazynowa

9 Charakterystyka energetyczna budynku punkt wyjścia

10 Moc cieplna [kw] Moc elektryczna [kw] Moc chłodnicza / cieplna [kw] Zapotrzebowanie na moc chłodniczą budynku, moc cieplna silnika gazowego oraz szczytowego źródła chłodu podczas najcieplejszego tygodnia Zapotrzebowanie na chłód do klimatyzacji Zapotrzebowanie na chłód ze źródła szczytowego Moc cieplna silnika/turbiny Określanie zapotrzebowania na energię, bilans energii, profile użytkowania Czas [h] Zapotrzebowanie na moc elektryczną budynku podczas najcieplejszego tygodnia Moc elektryczna generatora Zapotrzebowanie na energię elektryczną budynku Moc elektryczna pobierana (oddawana) z (do) sieci Moc elektryczna napędu źródła szczytowego chłodu Chłód Energia elektryczna Narzedzia: Metody bilansowe (OZC, RetScreen,.. ) Metody symulacyjne (ESPr, DesignBuilder, Ecotect, Polysun, GetSolar, ) Czas [h] Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku, moc cieplna silnika gazowego i moc cieplna źródła szczytowego podczas najzimniejszego tygodnia Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania Zapotrzebowanie na ciepło ze źródła szczytowego Moc cieplna silnika/turbiny Ciepło Czas [h]

11 Kogeneracja Kocioł szczytowy Wykresy zapotrzebowania na ciepło dobór konfiguracji źródła Moduł 2 Moduł 1 Trigeneracja Kocioł szczytowy Zbiornik buforowy Obciążenie (kw, MWh/rok) : podstawowe pośrednie szczytowe Zbiornik buforowy Moduł 1

12 SYSTEM SYSTEM REFERENCYJNY 1 (obciążenie letnie) 78% 22%

13 Sieć energe - tyczna Schematy źródeł zasilania budynków Układ rozliczeniowy Odbiory en. elektrycznej Układ odprowadzenia ciepła Źródło Jednostka CHP ciepła Zasobnik ciepła ciepła (opcja) Odbiory ciepła TDC Szczytowe źródło ciepła Chodziarka sprężarkowa Zasobnik Zasobnik chłodu chłodu (opcja) Odbiory chłodu

14 Sieć elektroenergetyczna Chłodnia wentylatorowa Chłodnia wentylatorowa Chłodnia wentylatorowa Generator energii elektrycznej Silnik gazowy Chłodziarka absorpcyjna Chłodziarki sprężarkowe Zasobnik chłodu Sieć gazowa Schemat zaawansowany - trigeneracja Kotły gazowe szczytowe Wyrzutnia powietrza Zasobnik ciepła Zimna woda Wymiennik i zasobnik c.w.u. Instalacja ogrzewcza Instalacja chłodnicza Czerpnia powietrza Gruntowy wymiennik ciepła Odzysk ciepła Centrala klimatyzacyjna Instalacja c.w.u. Instalacja elektryczna Strefy budynku

15 I, KE gdzie: I LCC N i i i i0 (1 r) I KE nakłady inwestycyjne na system zaopatrzenia w energię (z uwzględnieniem robót towarzyszących) [zł/rok]; KE roczny koszt bezpośredni eksploatacji systemu zaopatrzenia w energię obejmujący koszty nośnika energii lub paliwa wraz z transportem oraz obowiązkowe opłaty związane z eksploatacją (przeglądy, konserwacje itp.) [zł/rok]; r zewnętrzna stopa dyskonta; N okres życia inwestycji [lata] KRYTERIUM EKONOMICZNE Koszt zaopatrzenia w energię w cyklu życia Nakłady i koszty Lata NI KE NI' KE'

16 Koszt zaopatrzenia w energię w cyklu życia W przypadku, gdy nakłady inwestycyjne ponoszone są w roku zerowym, zaś w okresie eksploatacji koszty są stałe, wzór określający koszty w cyklu życia N przyjmuje postać: KE LCC I I KE * B i (1 r) B czynnik określający bieżącą wartość kosztów eksploatacyjnych w cyklu życia opisany zależnością: N B... i 2 N i1 (1 r) 1 r (1 r) (1 r) B* N 1 1 r (1 r) (1 r) (1 r) Odejmując (2) od (1) otrzymujemy: B B B 1 r 1 r (1 r) * N N (1 r) 1 N r(1 r) (1 r) B* (1 1 r) N 1 r 1 r (1 r) N i1 1 (1 r) B* r N (1 r) N (1) (2) r - zewnętrzna stopa dyskonta można przyjąć np. średnie oprocentowanie lokat 5%; N - okres życia inwestycji [lata] należy przyjmować N = 15 lat gdyż tyle wynosi średnia żywotność źródła energii. Dla tak przyjętych wartości czynnik dyskontujący wynosi B = 10,3797.

17 Kryterium ekologiczne PRF (Primary Resource Factor)

18 gdzie: Wskaźniki emisji CO 2 dla systemów zaopatrzenia w ciepło Obliczenia ekologicznych skutków oddziaływania systemów energetycznych opierają się na wskaźniku nieodnawialnej energii pierwotnej. Całkowita emisja CO2 zależy od szczególnego wskaźnika przypisanego wykorzystywanym paliwom. Wykorzystując poniższy wzór, można określić wskaźniki emisji dla różnych technologii ogrzewania: K = w i K f,del,i K wskaźnik emisji CO2 dla systemu w i wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla systemu K f,del,i szczególny wskaźnik CO2 dla danego paliwa

19 i DH El P net CHP El k k fuel P k fuel j j fuel P j fuel DH P Q f W W f Q f Q w,,,,,,,,,, Wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla systemu ciepłowniczego

20 Współczynniki emisji CO 2 dla wybranych paliw wg KASHUE Paliwa/źródła energii Wartość opałowa Wsp. emisji CO 2 Strumienie energii MJ/kg kg/gj węgiel kamienny 23,08 94,62 węgiel brunatny 8,57 108,60 olej opałowy 40,19 76,59 gaz ziemny wysokometanowy 35,98 MJ/m 3 55,82 gaz ziemny zaazotowany 24,85 MJ/m 3 55,82 gaz płynny 47,31 62,44 biomasa (drewno opałowe i odpady pochodzenia drzewnego) 15,60 0,00 biogaz 50,40 0,00 pozostałe odnawialne źródła energii 3) - 0,00 odpady komunalne niebiogeniczne 10,00 140,14 odpady komunalne biogeniczne 11,60 0,00 odpady przemysłowe - 140,14 nieodnawialne 1) wsp. emisji przyjęte zgodnie z opracowaniem Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO 2 (WE) w roku 2010 do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2013, KASHUE 2) wsp. emisji odpowiadają wyłącznie podanej dla nich wartości opałowej 3) zgodnie z definicją art. 3 pkt 20 ustawy Prawo Energetyczne (Dz. U. z 2006 r. Nr 89, poz. 625, z późn. zm.) 1, 2)

21 Emisję dwutlenku węgla określa się ze wzoru: gdzie: i Obliczanie emisji E f, del, i wi K f, del, i / Eel Eel,exp wel Kel EE energia dostarczona w i-tym paliwie lub cieple sieciowym do odbiorcy (wyłączając E f, del, i GJ / rok ciepło z odzysku), współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla i-tego paliwa w i lub ciepła sieciowego dostarczonego do odbiorcy, przyjęty jak wyżej. szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla i-tego paliwa dostarczonego K f, del, i do odbiorcy, lub dla paliwa, z którego wytworzono ciepło sieciowe dostarczone do kgco 2 /GJ odbiorcy, wg tabeli KASHUE. E energia elektryczna pobrana przez odbiorcę, MWh / rok el E energia elektryczna sprzedana przez odbiorcę MWh / rok el,exp w el współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej K el szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej, obliczany przez KOSZI/NFOŚiGW i podawany do stosowania w danym roku MgCO 2 / MWh Dla paliw i ciepła zasilających odbiorców wskaźniki emisji CO2 przyjmuje się z Tabeli 12 i 13 opracowania Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji, które są do stosowania w danym roku rozliczeniowym, publikowane przez Krajowego Administratora Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji. Powyżej, w tabeli podano wskaźniki do stosowania w roku 2013.

22 Lektury uzupełniające do wykładu: 1. Wiszniewski A., Bonder L., Trząski A., Kwiatkowski J., Systemy zaopatrzenia w energię w nowo wznoszonych budynkach, Warszawa : Fundacja Poszanowania Energii, Wiszniewski A., Trząski A. Analiza możliwości zastosowania alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię w nowo wznoszonych budynkach, Materiały Budowlane. Technologie, Rynek, Wykonawstwo. nr (1) Wiszniewski A., Bonder L. Wskaźnik energii pierwotnej dla ogrzewania scentralizowanego, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 7-8/2008 Warszawa : SIGMA-NOT, Wiszniewski A., Bonder L. Wskaźniki nieodnawialnej energii pierwotnej oraz emisji CO2 dla scentralizowanych i indywidualnych systemów zaopatrzenia w ciepło oraz ogrzewania budynków Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2/2009 Warszawa : SIGMA-NOT, 2009.

23 Budynek biurowo - usługowy STUDIUM PRZYPADKU

24 Charakterystyka energetyczna budynku Analizowany budynek biurowo usługowy zlokalizowany jest w Gdańsku. Budynek ten składa się z dwóch części i posiada 7/12 kondygnacji nadziemnych i 2 kondygnacje podziemne. Powierzchnia o regulowanej temperaturze budynku wynosi ,00 m 2. Kubatura budynku wynosi ,00 m 3.

25 Wybór możliwych do zastosowania odnawialnych źródeł energii Rozpatrywany budynek znajduje się w centrum miasta, w zabudowie zwartej. Ze względu na jego położenie oraz warunki jakie spełnić musiałyby poszczególne systemy odnawialnych źródeł energii w analizie nie uwzględniono następujących systemów: Elektrownie wodne Energia wód geotermalnych Wykorzystanie biomasy Pompa ciepła brak terenu pod dolne źródło Do analizy wybrano następuje systemy wykorzystujące odnawialne źródła energii oraz systemy niskoemisyjne: Cieczowe kolektory słoneczne Panele fotowoltaiczne Elektrownie wiatrowe wertykalne turbiny wiatrowe umieszczone na dachu Układ kogeneracyjny zasilany gazem W analizie uwzględniono dwa systemy referencyjne: Kotłownia gazowa Centralna sieć ciepłownicza

26 Określenie wariantów zasilania w energię System referencyjny 1 system z kotłem gazowym jako źródłem ciepła dla instalacji ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz centralną siecią elektroenergetyczną jako źródłem energii elektrycznej dla pozostałych systemów (chłodzenie, oświetlenie, napędy elektryczne). System referencyjny 2 system z siecią ciepłowniczą jako źródłem ciepła tylko dla instalacji ogrzewania oraz siecią elektroenergetyczną jako źródłem energii elektrycznej dla pozostałych systemów (przygotowanie ciepłej wody użytkowej, oświetlenie, napędy). System alternatywny 1 zastosowano instalację kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej, kotły gazowe jako źródło ciepła dla instalacji ogrzewania oraz sieć elektroenergetyczną jako źródło energii elektrycznej System alternatywny 2 zastosowano sieć ciepłowniczą jako źródło ciepła dla instalacji ogrzewania, elektryczne podgrzewacze ciepłej wody użytkowej, instalację fotowoltaiczną jak źródło energii elektrycznej oraz sieć elektroenergetyczną jako źródło energii elektrycznej. System alternatywny 3 tym zastosowano sieć ciepłowniczą jako źródło ciepła dla instalacji ogrzewania, elektryczne podgrzewacze ciepłej wody użytkowej, instalację turbin wiatrowych jak źródło energii elektrycznej oraz sieć elektroenergetyczną jako źródło energii elektrycznej. System alternatywny 4 tym zastosowano układ skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej z zastosowaniem gazowego silnika tłokowego oraz kocioł gazowy i centralną sieć elektroenergetyczną jako szczytowe źródła energii.

27 PODSTAWOWE PARAMETRY POSZCZEGÓLNYCH SYSTEMÓW

28 Nakłady i koszty eksploatacyjne System referencyjny 1

29 Nakłady i koszty eksploatacyjne System referencyjny 2

30 Nakłady i koszty eksploatacyjne System alternatywny 1

34

35

36

37 Podsumowanie Na przedstawionych wykresach widać, iż zużycie energii pierwotnej oraz koszty w całym cyklu życia instalacji nie różnią się znacznie dla poszczególnych systemów, natomiast różnice widać dla rocznej emisji dwutlenku węgla. W analizie pokazano, iż najlepszym rozwiązaniem pod względem ekologicznym i ekonomicznym dla analizowanego budynku jest system z kogeneracją zasilaną paliwem gazowym jako podstawowym źródłem energii elektrycznej i cieplnej. Rozwiązania referencyjne charakteryzują się zbliżonym LCC, nieco wyższym niż system z CHP, lecz już roczne koszty operacyjne są już istotnie wyższe. Istniejące systemy wsparcia na etapie eksploatacji żółte i zielone certyfikaty są skuteczne jedynie w przypadku CHP, czyniąc ten wariant konkurencyjnym w stosunku do rozwiązań referencyjnych. W przypadku systemów PV oraz siłowni wiatrowych, zielone certyfikaty nie są wystarczającym wsparciem, aby osiągnąć konkurencyjność tych systemów.

38 Dziękuję za uwagę