POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY. Zarządzanie i organizacja w elektroenergetyce. Technologie zasobnikowe Dyrektywa 2010/75/UE TEMAT:

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY Zarządzanie i organizacja w elektroenergetyce TEMAT: Technologie zasobnikowe Dyrektywa 2010/75/UE Prowadzący: prof. dr hab. inż. Jan Popczyk Opracował: inż. Paweł Łukaszczyk Kierunek studiów: Elektrotechnika Rodzaj studiów: II stopnia Gliwice, styczeń

2 Spis treści 1. Wprowadzenie Wykorzystanie technologii zasobnikowych Technologia wykorzystująca gaz LPG Technologia wykorzystująca Biogaz Analiza i rozwiązanie problemu deficytu mocy Liczba instalacji LPG oraz Mikrobiogazowni Koszty inwestycji Bibliografia:

3 1. Wprowadzenie Obserwując funkcjonowanie Krajowego Systemu Elektroenergetycznego można wyciągnąć bardzo dużo wniosków. Jednym z istniejących problemów jest rosnące z roku na rok zapotrzebowanie na energię elektryczną. W najbliższych latach w Polsce może dojść do problemu ze stabilnym pokryciem zapotrzebowania na energię elektryczną, a to w konsekwencji może spowodować niedobór mocy dysponowanej w systemie elektroenergetycznym. Największe zagrożenie niesie za sobą występowanie dużego szczytu wieczornego w którym zapotrzebowanie na energię jest największe. Szczyt ten trwa średnio od 3 4 godzin w ciągu doby. Należy zatem podjąć działania mające na celu zapobiec możliwości wystąpienia deficytu mocy. Jednym z rozwiązań jest ingerencja w grafik obciążenia systemu elektroenergetycznego. Polega ona na częściowym ograniczeniu zapotrzebowania w szczycie poprzez zużycie energii wcześniej zmagazynowanej. Takie działanie jest pożądane. Trzeba pamiętać że źródła konwencjonalne najefektywniej pracują przy stałych parametrach pracy, dlatego też wyrównanie dobowego grafiku zapotrzebowania spowoduje zmniejszenie ilości rozruchów i odstawień bloków wytwórczych. Doprowadzi to również do zmniejszenia zakresu regulacji, a w konsekwencji do zwiększenia sprawności całego procesu produkcji. Technologie zasobnikowe mogą być jednym z rozwiązań tego problemu. Rozwiązania te można rozbudowywać i tworzyć łańcuchy prosumenckie. Mogą wykorzystywać one energię elektryczną, gaz ziemny, biogaz i również ciepło. 3

4 Na poniższym rysunku przedstawione jest dwutygodniowe zapotrzebowanie na moc w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w okresie od 1 do 14 grudnia 2013 roku. Rys 1. Zapotrzebowanie na moc w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym Źródło : Pierwszym z proponowanych rozwiązań może być zastosowanie magazynów gazu propan butan znanego bardziej jako LPG. Energia którą posiada zmagazynowany gaz zostanie przekształcona na energię elektryczną i cieplną w procesie kogeneracji. Drugim rozwiązaniem może być wykorzystanie energii biogazu w mikrobiogazowni. Na podstawie tych rozwiązań zostaną zaproponowane możliwości budowy łańcuchów prosumenckich i przedstawiona ich idea pracy. 4

5 2. Wykorzystanie technologii zasobnikowych 2.1 Technologia wykorzystująca gaz LPG Pierwszą z przeanalizowanych możliwości jest zastosowanie zbiornika gazu propan butan znanego bardziej jako LPG. Rozwiązanie technologiczne są znane i łatwo dostępne. Na terenach wiejskich rozwiązanie takie niesie wiele korzyści. Możemy do nich zaliczyć zwiększenie pewności dostępu budynku do gazu oraz brak opłat przesyłowych występujących w tradycyjnym systemie. Do wytworzenia energii elektrycznej zastosowano urządzenia kogeneracyjne. Zbiorniki gazu: Zbiorniki naziemne Rys 2. Naziemny zbiornik gazu LPG Źródło : [2] Standardowe zbiorniki LPG wykorzystywane są przede wszystkim, jako element instalacji grzewczej w budynkach mieszkalnych jedno i wielorodzinnych, obiektach hotelowo-wypoczynkowych, budynkach 5

6 biurowych oraz przemysłowych. Szerokie zastosowanie zbiorniki znajdują również we wszelkiego rodzaju instalacjach, gdzie gaz wykorzystywany jest w celach technologicznych przykładem tego mogą być fermy drobiu, suszarnie produktów rolnych czy zakłady produkcyjne. Produkowane są w szerokim zakresie gabarytowym. W poniższej tabeli zostały zestawione dane oferowane przez Zakłady Aparatury Chemicznej CHEMET S.A.: Tab.1. Dane techniczne naziemnych zbiorników gazu [2] Pojemność nominalna Max. ilość gazu Wymiary gabarytowe Ciężar l Poj. zbiornika Średnica Długość Rozstaw łap D [mm] L [mm] B [mm] A [mm] kg % % % Zbiorniki podziemne Rys 3. Podziemny zbiornik gazu LPG 6

7 Źródło : [3] Podobnie jak w przypadku zbiorników naziemnych, zbiorniki podziemne mają zastosowanie w instalacjach grzewczych budynków mieszkalnych jedno i wielorodzinnych, obiektów hotelowo-wypoczynkowych, biurowych oraz przemysłowych. Są również często wykorzystywane w instalacjach, gdzie gaz stosowany jest w celach technologicznych, a także w magazynach gazu płynnego czy małych rozlewniach gazu. Niewątpliwym atutem zbiorników podziemnych jest ich lokalizacja, co w znaczącym stopniu podnosi poziom bezpieczeństwa przy eksploatacji, jednocześnie nie naruszając struktury terenu (zbiornik jest niewidoczny). Ze względu na niekwestionowane aspekty bezpieczeństwa oraz walory estetyczne, obserwowany jest obecnie proces przejścia ze zbiorników naziemnych na podziemne. Te rozwiązania również produkowane są w szerokim zakresie. W poniższej tabeli zostały zestawione dane oferowane przez Zakłady Aparatury Chemicznej CHEMET S.A.: Tab.2. Dane techniczne podziemnych zbiorników gazu [3] Pojemność nominalna Max. ilość gazu Wymiary gabarytowe Ciężar l Poj. zbiornika Średnica Długość Rozstaw łap D [mm] L [mm] B [mm] A [mm] kg % % %

8 Urządzenia kogeneracyjne Napędzane silnikami gazowymi kogeneratory małej mocy MCHP o zmiennej mocy wyjściowej stanowią alternatywę względem powszechnie stosowanych kogeneratorów o stałej mocy wyjściowej zasilanych paliwami ciekłymi. Kogeneratory MCHP zasilane są bezpośrednio tanim i czystym źródłem energii pierwotnej jakim jest gaz i pozwalają na produkcję jednocześnie energii elektrycznej i cieplnej. Wykorzystanie gazu ziemnego lub LPG pozwala na znaczną redukcję kosztów na etapie eksploatacji. Oznacza to zarówno możliwość oszczędności energii jak i zapobieganie zanieczyszczeniu środowiska naturalnego. Na poniższym schemacie prezentowana jest sposób wykorzystania kogeneratora: Rys 4. Urządzenie kogeneracyjne Źródło: Moc na wyjściu dostosowywana jest do bieżącego obciążenia po stronie odbiorników. Proces wytwarzania energii elektrycznej w kogeneratorze nie wymaga obsługi ze strony użytkownika. Parametry wytwarzanego prądu podlegają stałej kontroli i regulacji, tak więc produkowana energia ma 8

9 parametry identyczne jak energia dostarczana z sieci. Wbudowane zabezpieczenia chronią odbiorniki przed jakimikolwiek przepięciami. Kogeneratory zastosowanej firmy są produkowane w 5 typach których parametry zestawiono w tabeli poniżej: Model Moc elektryczna kw Częstotliwość Hz Moc cieplna kw Typ gazu Sprawność całkowita Sprawność elektryczna Sprawność cieplna GECC 60A2 Tab.3. Dane techniczne agregatów kogeneracyjnych [4] XRGI 6 XRGI 9 XRGI 15 XRGI 20 0,3-0,6 2, ,7 8,5 13, Gaz ziemny, biogaz, LPG 85,0 92,0 94,0 92,0 96,0 28,8 28,0 29,0 30,0 32,0 56,2 64,0 65,0 62,0 64,0 Oszacowanie możliwości energetycznych: Wartość opałowa gazu LPG (mieszanki 50/50 %) przyjmuje się na poziomie 25,02 MJ/l. W procesie kogeneracji zamiana energii gazu na energię elektryczną odbywa się ze średnią sprawnością 30%. Natomiast przy zamianie na energie cieplną sprawność ta wynosi około 60%. Znając te wartości można oszacować ilość wyprodukowanej energii. Tak więc z 1 litra gazu LPG można otrzymać około 2,1 kwh energii elektrycznej oraz około 4,1kWh energii cieplnej. Na podstawie danych w tabeli oszacowano ilość energii jaka może być wytworzona z jednego zbiornika gazu LPG. Dla wszystkich zbiorników pojemność użytkowa wynosi 85% całkowitej pojemności. 9

10 Pojemność zbiornika l Użytkowa pojemność zbiornika l Tab.4. Energia zmagazynowana w zbiornikach gazu [4] Energia Ciepło elektryczna MWh MWh ,8 9, ,5 8,6 17, ,3 22,7 Można zauważyć że produkowana przez takie urządzenie energia w znaczmy stopniu pokryje zapotrzebowanie przeciętnego gospodarstwa. Jest to dużą zaletą ponieważ spowoduje zmniejszenie poboru energii a co za tym idzie wystąpienie mniejszego szczytu wieczornego. Idea pracy : Na poniższym rysunku pokazana jest idea pracy agregatu kogeneracyjnego wraz z zasilaniem z zbiorników gazu LPG Rys 5. Idea pracy układu ko generacyjnego 10

11 Źródło: Technologia wykorzystująca Biogaz Kolejnym rozwiązaniem prowadzącym do zmniejszenia szczytu wieczornego jest wykorzystanie systemu odnawialnych źródeł energii. W tym celu możliwe jest zastosowanie mikrobiogazowni. W projekcie przewidziane zostało zastosowanie kontenerowych mikrobiogazowni utylizacyjno rolniczych ( KMU-R ). Za wdrożeniem tego rozwiązania przemawia fakt że struktura polskiego rolnictwa w większości jest strukturą rozdrobnioną. Dużą zaletą są zdolności regulacyjne. W porównaniu z innymi źródłami odnawialnymi takimi jak: Panele Fotowoltaiczne i Elektrownie Wiatrowe regulacja jest przewidywalna i możliwa do zaplanowania w konkretnym czasie. Zastosowanie takich urządzeń nie tylko pomoże pokryć zapotrzebowanie szczytu wieczornego ale również w pozytywny sposób wpłynie na redukcję emisji gazów cieplarnianych. Również do zalet można zaliczyć ingerencja w gospodarkę energii cieplnej na danym obszarze. Istniejący potencjał Gospodarstwa rolne pozwalające na wykorzystanie mikrobiogazowni można podzielić na kilka grup na kilka grup[5]: 1. Liczba gospodarstw rolnych PμB, stanowiących potencjał wykorzystania mikrobiogazowni kontenerowych, o mocy elektrycznej kw, którą zdolne jest wytwarzać gospodarstwo o powierzchni ha zasobów rolnych tys. 2. Liczba towarowych gospodarstw rolnych PmB 1, stanowiących potencjał wykorzystania mikrobiogazowni kontenerowych, o mocy elektrycznej

12 kw, którą zdolne jest wytwarzać gospodarstwo o powierzchni ha zasobów rolnych - 95 tys. 3. Liczba towarowych gospodarstw rolnych PmB 2, stanowiących potencjał wykorzystania mikrobiogazowni kontenerowych, o mocy elektrycznej kw, którą zdolne jest wytwarzać gospodarstwo o powierzchni ha zasobów rolnych - 15 tys. Opis Biogazu: Biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste. W procesie fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej zamienianej jest w biogaz. Zgodnie z przepisami obowiązującymi w Unii Europejskiej składowanie odpadów organicznych może odbywać się jedynie w sposób zabezpieczający przed niekontrolowanymi emisjami metanu. Gaz wysypiskowy musi być spalany w pochodni lub w instalacjach energetycznych, a odchody zwierzęce fermentowane. Biogaz powstający w wyniku fermentacji beztlenowej składa się w głównej mierze z metanu (od 40% do 70%) i dwutlenku węgla (około 40-50%), ale zawiera także inne gazy, m. in. azot, siarkowodór, tlenek węgla, amoniak i tlen. Do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej może być wykorzystywany biogaz zawierający powyżej 40% metanu. Wartość opałowa biogazu wynosi w granicach od 19 do 23 MJ/m 3. W zależności od sprawności układów kogeneracyjnych można otrzymać określoną ilość energii cieplnej i elektrycznej. Obecnie na rynku układy takie charakteryzują się sprawnością w granicach 80 90%. 12

13 Opis Mikrobiogazowni wraz z agregatem: Moc znamionowa stosowanych agregatów wynosi około 10 kw. Do produkcji energii z taką mocą potrzebny jest komora fermentacyjna o objętości około 60 m 3.Wyprodukowanie komory o większej objętości w dzisiejszych czasach nie stanowi żadnego problemu, jednakże czynnikiem ograniczającym jest transport. Transport odbywa się drogą lądową dlatego też komór o znacznych gabarytach nie dałoby się przetransportować na miejsce docelowe. Zastosowanie mikromagazynu o pojemności 16m 3 pozwala na praktycznie dwukrotne zwiększenie mocy produkowanej energii, jednakże osiągalny czas pracy z taką mocą wynosi około 3h. W tym czasie następuje całkowite rozładowanie zasobnika gazu. Ten tryb pracy można zastosować w szczycie wieczornym. Rozwiązanie kontenerowe powodują znaczne skrócenie wprowadzenia urządzenia do pracy. Takie rozwiązania mogą być wyprodukowane w krótkim czasie, dlatego też są dobrym rozwiązaniem w rozpatrywanym problemie jakim jest deficyt mocy w najbliższych latach. Oszacowanie możliwości energetycznych: W takich rozwiązaniach godzinowa produkcja energii elektrycznej wynosi około 10 kwh. Jednakże przy przewymiarowaniu agregatu jest możliwa praca z mocą dwa razy większą, jednakże taka praca może trwać jedynie 3h. Spowodowane jest to czasem całkowitego rozładowania dodatkowego zasobnika gazu jakim jest mikrozbiornik. Informacje te umożliwiają zestawienie poniższych danych: 13

14 Tab.5. Wybrane dane mikrobiogazowni [5] Wielkość Dobowa produkcja energii elektrycznej: Dobowa produkcja energii chemicznej: Godzinowa produkcja energii elektrycznej: Moc generatora po przewymiarowaniu: Maksymalny jednorazowy czas pracy przewymiarowanego generatora: Produkcja energii elektrycznej w jednym cyklu przewymiarowanego generatora: Wartość 240 kwh 600 kwh 10 kwh 20 kw 3 h 60 kwh Rozbudowa układu: Dzięki rozbudowie układu poprzez zastosowania zasobników energii elektrycznej możliwe jest polepszenia wykorzystania mikrobiogazowni w likwidacji szczytu wieczornego. Rozwiązania takie nie są ani kosztowne, ani pracochłonne, ponieważ można wykorzystać już istniejące zasobniki. Na obszarach wiejskich możemy do nich zaliczyć baterie akumulatorów w samochodach elektrycznych, samochodach dostawczych w ciągnikach i innych maszynach rolniczych. W szczycie wieczornym poza prącą agregatu z podwójną mocą również energia elektryczna może być zwraca do sieci z tych zasobników energii. Natomiast ładowanie zasobników może odbywać się w okresie w którym produkowana energia jest większą od zapotrzebowania. Analiza tego typu rozwiązań silnie uzależniona jest od ilości zasobników. W 14

15 najbliższych latach samochody elektryczne mogą stać się bardziej rozpowszechnione co w znacznym stopniu poprawie wydajność tego rozwiązania. 3. Analiza i rozwiązanie problemu deficytu mocy Energia szczytu wieczornego: W celu przeprowadzenia analizy zostały wybrane dwa typowe dni w ciągu roku. Pierwszy z nich gdy wystąpiło minimalne natomiast drugi gdy wystąpiło maksymalne zapotrzebowanie na energię elektryczną. Te dni przypadają w okolicy stycznia-lutego oraz lipca. Największe zapotrzebowanie w roku 2013 wystąpiło 23 stycznia (środa) o godzinie 17:30 i wyniosło 24,742GW. Najmniejsza moc na zbilansowanie systemu potrzebna była 7 lipca (niedziela) o godzinie 5:00 i wyniosła 11,243GW. Energia szczytu wieczornego została zdefiniowana poprzez średnie zapotrzebowanie na moc w szczycie przedpołudniowym (średnia wartości w godzinach od 10:00 do 14:00). Taki sposób został ustalony na podstawie obserwacji wykresów zapotrzebowania na moc w KSE i określa on racjonalny poziom ograniczania zapotrzebowania na moc podczas szczytu wieczornego. 15

16 Dobowy wykres zapotrzebowania dla 23 I 2013 roku: Rys 6. Dobowe zużycie energii Zródło: opracowanie własne na podstawie danych Średnie zapotrzebowanie na moc w KSE w godzinach 10:00 14:00 (przedział czasu zaznaczono przerywanymi liniami) wynosi 23,64 GW zaznaczone na wykresie poziomą, zieloną linią. Energia odciętego szczytu wieczornego wynosi 2,442 GWh (obszar zielony) 16

17 Dobowy wykres zapotrzebowania dla 7 VII 2013 roku: Rys 7. Dobowe zużycie energii Zródło: opracowanie własne na podstawie danych Średnie zapotrzebowanie na moc w KSE w godzinach 10:00 14:00 wynosi 15,41 GW. Energia odciętego szczytu wieczornego wynosi 0,946 GWh 17

18 3.1. Liczba instalacji LPG oraz Mikrobiogazowni Analizując zużycia dobowe energii elektrycznej w ciągu roku można zauważyć że większy szczyt wieczorny występuje w okresie zimowym. Oznacza to że deficyt mocy w najbliższych latach w pierwszej kolejności może wystąpić właśnie w tym okresie. W celu uniknięcia deficytu mocy w należy przeanalizować przypadek gorszy. Dlatego też dalszemu rozważaniu poddane zostaną dane z dnia Zróżnicowanie pomiędzy dwoma okresami wynika głównie z większego zużycia energii przez oświetlenie gdyż dni w tym czasie są krótsze niż w okresie letnim. Niniejsza analiza zostanie przeprowadzona z uwzględnieniem pewnych założeń. Jednym z nich będzie przyjęcie połowy produkcji energii przez urządzenia wykorzystujące gaz LPG natomiast druga połowa wykorzystujące łańcuch prosumenckich wartości z mikrobiogazownią. Mikrobiogazownia może stać się instalacją przełomową. Może ona mieć bardzo duże znaczenie w najbliższych latach. Jednakże największe znaczenie osiąga wówczas gdy wchodzi w prosumencki łańcuch wartości. Dlatego też rozwiązanie takie musi być wyposażone w kilka elementów. Pierwszym z nich jest zasobnik gazu. Może być to rozwiązanie kontenerowe jakie zostało zaproponowane w niniejszym opracowaniu. Kolejnym elementem jest wyposażenie prosumenckich mikroinstalacji energetycznych w baterie akumulatorów. Idealnym rozwiązaniem problemu jest wykorzystanie w tym celu samochodów EV. Ważnym elementem jest również zasobnik ciepła. Do tego celu wykorzystuje się zbiorniki ciepłej wody z których mogą być zasilane instalacje grzewcze pobliskich obiektów. Jednakże za najważniejszy element całej instalacji uważa się inteligentną infrastrukturę smart grid. 18

19 Do podstawowych wartości prosumenckich takiego łańcucha można zaliczyć: Produkcja energii na potrzeby własne ( energia elektryczna i cieplna) Utylizacja odpadów Rezerwowe zasilanie gospodarstwa Produkcja energii elektrycznej w stanach deficytu mocy Energia szczytu którą powinna zostać zniwelowana: E 2442 MWh Przy przyjętym założeniu energia wyprodukowana z jednego rozwiązania powinna wynieść: E MWh Na podstawie danych agregatów kogeneracyjnych przyjęto średnią moc urządzenia na poziomie 15kW. Czas trwania szczytu wieczornego przyjęto 3 godziny. Przy takich założeniach można wyznaczyć liczbę instalacji wykorzystujących gaz LPG: L :15:3 27,1 tys. Natomiast przy założeniu że w okresie szczytu wieczornego mikrobiogazownia pracuje z podwójną mocą otrzymamy takich instalacji: L : 20:3 20,3 tys. 19

20 Otrzymane wyniki można przyjąć za możliwe do zrealizowania w przeciągu jednego roku. W analizie nie zostały uwzględniane możliwości rozbudowy instalacji o magazyny energii jakimi są samochody EV. Zakładając pewną liczbę samochodów elektrycznych otrzymamy mniejszą liczbę gospodarstw a co za tym idzie szybsza realizacja założonych celów Koszty inwestycji: Koszty jednej instalacji wykorzystującej gaz LPG mieszczą się w granicach tysięcy złotych. Zróżnicowanie to jest zależne od rodzaju urządzeń jak i ukształtowania terenu na którym ma powstać instalacja. Nakłady inwestycyjne w takiej wysokości są możliwe do pokrycia przez pojedynczych inwestorów. Sumaryczny koszt wszystkich instalacji wyniesie około 800 mln złotych. Realizacja takich założeń do roku 2015 pozwoliłaby ograniczyć szczyt wieczorny w znacznym stopniu. Zaletą tego rozwiązania jest jego bardzo duża szybkość regulacji. Koszty mikrobiogazowni są znacznie wyższe. Za instalacje o mocy 10 kw koszt wynosi około 300 tyś zł. Natomiast przewymiarowanie agregatu oraz koszt mikromagazynu kształtują się na kilkudziesięciu tysięcy złotych. Daletego też koszt przewidzianej instalacji przyjmuje się na poziomie 350 tyś. zł. Oczywiste jest że koszty takiego rozwiązania mogą pokryć więksi inwestorzy. Wybudowanie takich instalacji w znaczny sposób pomoże zmniejszyć występowanie szczytu wieczornego jednocześnie niosąc za sobą znaczne korzyści. 20

21 4. Podsumowanie Raport ma na celu wprowadzenie w zagadnienie problemu jakim jest wystąpienie deficytu w najbliższym czasie. Wykorzystanie zasobników energii przedstawionych w projekcie w celu zmniejszania szczytu wieczornego jest dość kosztownym rozwiązaniem. Jednakże mogą one w niedalekiej przyszłości stać się ważnym elementem systemu elektroenergetycznego. W najbliższych latach przedstawione rozwiązania mogą zostać znacznie rozwinięte i wprowadzone w życie. Dużym plusem tych rozwiązań jest znajomość technologiczna która rozwijana jest od dłuższego czasu. Tego typu inwestycje mogą prowadzić do znacznego zwiększenia świadomości ludzi na temat deficytu mocy, jak i również mogą prowadzić do znacznego rozwoju energetyki na obszarach wiejskich. Bibliografia: Popczyk J: Energetyka prosumencka jako innowacja przełomowa. Raport referencyjny BŹEP. 6. Czasopismo "Energetyka", numer 6/2012. Artykuł pt.: "Planowanie rozwoju polskiej sieci przesyłowejw perspektywie 2025"