Racjonalizacja użytkowania energii w przedsiębiorstwie przemysłowym

Transkrypt

1 Innowacyjne technologie dla poprawy efektywności energetycznej Racjonalizacja użytkowania energii w przedsiębiorstwie przemysłowym Wojciech Stanek wojciech.stanek@polsl.pl Zabrze, 4 lipca 2013

2 Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja Bułgaria Estonia Polska Rumunia Czechy Litwa Węgry Słowacja Łotwa Cypr Słowenia Grecja Malta Finlandia Portugalia Irlandia UE-27 Niemcy Belgia Holandia Wielka Brytania Hiszpania Włochy Luksemburg Austria Francja Dania Szwecja POLSKA ( 1,13 kg / ) - energochłonne gałęzie przemysłowe ( struktura PKB ) - niska sprawność energetyczna ( technologia ) - niekorzystna struktura paliw 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 średnia UE - 27 Emisja CO2, kg/

3 Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja 7 lat 85 lat Dostępność nośników energii pierwotnej Wojciech Stanek; opracowano na podstawie Nośnik energii Jednostka Ropa naftowa USD/boe 68,5 89,0 94,4 124,6 121,8 141,4 Gaz ziemny USD/ tyś. m 3 291,7 406,9 376,9 435,1 462,5 488,3 Węgiel USD/t 101,3 140,5 121,0 133,5 136,9 140,3 Ministerstwo Gospodarki: Polityka energetyczna Polski do 2030 roku

4 Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja Aspekty ekologiczne 5 0 maj 05 maj 06 maj 07 maj 08 maj 09 maj 10 maj 11 maj 12 Externalities Wielkość Substancja SO 2 NO X pył CO 2 c k, zł/kg 0,43 0,43 0,29 0,00023 w k, zł/kg 45,05 33,09 24,62 -

5 Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja Pakiet 3x20: - redukcja emisji gazów cieplarnianych o 20% - wzrost efektywności energetycznej o 20% - udział odnawialnych źródeł energii (OZE) w ogólnej produkcji energii Otoczenie zewnętrzne Wsparcie prawne / finansowe - certyfikaty dla gospodarki skojarzonej ( kogeneracji ) - certyfikaty dla OZE - białe certyfikaty za efektywność energetyczną

6 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Podstawowe narzędzia powszechnie stosowane w analizach techniczno-ekonomicznych: - bilanse substancji - bilans energii - wskaźniki efektywności energetycznej - wskaźniki efektywności ekonomicznej (SPB, DPB, NPV, IRR ) Dodatkowe narzędzia termodynamiki: - bilans egzergii - koszt egzergetyczny

7 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Słowo energia jest używane w dwu znaczeniach.: W języku fizyki W języku potocznym wielkość podlegającą prawu zachowania. Może ona przepływać między różnymi postaciami materii i zmieniać swoją jakość, nie można jednak jej ani stworzyć ani zniszczyć. słowa energia używa się tylko dla takich postaci energii, które charakteryzują się podwyższoną jakością i nadają się do podtrzymywania biegu procesów wytwarzających użyteczne efekty. Są to więc takie postaci energii, które mają określoną wartość ekonomiczną ( egzergia ). Jan Szargut: Energia czy Egzergia. Rynek Energii,

8 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Bilanse substancji ZASADA ZACHOWANIA SUBSTANCJI stała jest: - liczba cząstek w procesach fizycznych, - liczba pierwiastków w procesach chemicznych, m n in n d G d in n u G m u sys n sys osłona bilansowa m n out n w G w out n = n + in in sys m = m + Steady state: n & = sys & in n out m & = & in m out n m out out Bilans substancji podstawa sporządzenia bilansu energii

9 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Bilanse energii E = E + in E & = sys & in E out E out Energia strumienia substancji: 2 w E& r = m& h + + gh 2 System może wymieniać energię ze swoim otoczeniem za pomocą: -pracy mechanicznej( W) -energii elektrycznej( Eel ) -ciepła( Q) - energii przepływającej strugi( H ) Energia wewnętrzna układu: U sys 2 w = m u + + gh u 2 Równanie Gibbsa: u = h pv

10 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Sprawność energetyczna metoda bezpośrednia (np. kocioł) η EK = Q& m& ( i i ) uz = 1 4 E& m& W ch pal metoda pośrednia (np. kocioł) η = 100% ΣS EK d ΣS = S w _ fiz + Sw_chem + Sst_fiz + Sst_chem + S ot

11 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Sprawność energetyczna (przykładowe wartości) Urządzenie Sprawność Kocioł parowy 0,90 Elektrownia parowa 0,40 Elektrociepłownia 0,80 Pompa ciepła sprężarkowa 4,00 Ziębiarka absorpcyjna 0,70 Ziębiarka sprężarkowa 1,50

12 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Bilans energii (prezentacja graficzna) 100 GJ 57 GJ 22 GJ Jan Szargut: Termodynamika. PWN Warszawa 1998

13 Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy II Zasada Termodynamiki Niemożliwe jest zbudowanie silnika, który w całości zamianiałby ciepło napędowe w pracę ( η < 100 % ) Przebieg nieodwracalnych procesów rzeczywistych jest zawsze związany ze wzrostem entropii. Suma przyrostów wszystkich ciał uczestniczących w zjawisku jest miarą nieodwracalnej utraty zdolności do wykonania pracy δl = T S 0 Prawo Gouya - Stodoli

14 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Procesy rzeczywiste nieodwracalne Skracanie łańcucha przemian termodynamicznych = = eliminacja nieodwracalności Jan Szargut: Termodynamika. PWN Warszawa 1998

15 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Ech = ( )-175 = 45 (20%)

16 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Ech = ( )-250 = 120 (32%)

17 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja TYP EC Turbina Parowa Turbina gazowa (KO) Turbina gazowa (GP) Silnik tłokowy Zakres mocy kw Sprawność elektr., % Sprawność całk., % Wskaźnik skojarzenia > ,1 0,33 > ,4 0,8 > < 1, ,5 1,0 Mikroturbina ,5 0,65

18 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji ( PES) E ch, r ch,chp = ( PES) E E ch, r = 1 η η c,chp c,ref 1 η η el,chp el,ref η c =,CHP Q E CHP ch,chp η el,chp = E E el,chp ch,chp

19 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji

20 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji PES = 1 η E ec 1 η ref 1+ σ c + σ η ref el Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

21 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji PES = 1 η E el σ + u 1 ηref c + σ η ref el Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

22 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji E el TG E el TP S TG TP Q Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

23 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji Paliwo Spaliny E el G S 0.4 PES η E el g B =0.8 Q σ 1 Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

24 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji - przykłady V g V g tg1 E el tg1 K 1 G 1 spaliny E el PES 0,27 0,25 0,23 η=0,88 η=0,85 η=0, V g tg2 E el tg2 K 2 G 2 spaliny Q 0,21 0,19 0,17 0,56 0,58 0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 б

25 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji przykłady Elektrociepłownia z turbiną gazową

26 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji przykłady Paliwo Spaliny E el G S Q

27 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji przykłady Elektrociepłownia z silnikiem tłokowym (gaz ziemny)

28 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji przykłady PLN PLN certyfikaty NPV CF* bez certyfikatów NPV CF* Elektrociepłownia z silnikiem tłokowym (metan kopalniany)

29 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)

30 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja) η

31 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)

32 Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Perspektywiczne technologie CHP w źródłach rozproszonych Technologia Stan Koszt, zł/mwh τ=6400 τ=4400 CHP turbina gazowa (g.z.) (0,5 7,0 MW ) K CHP silnik gazowy (g.z.)( 0,2 3,0 MW ) K CHP ORC (biomasa)( 0,5 2,0 MW ) D CHPparowy (biomasa)( 1,0 3,0 MW ) K CHP silnik gazowy(biometanz odpadów) ( 0,1 2,0 MW ) D CHP silnik gazowy (gaz z biomasy) ( 0,1 2,0 MW ) D CHP turbina gazowa (zgazowanie biomasy) ( 0,5 5,0 MW) P CHP silnik (zgazowanie biomasy) ( 0,1 2,0 MW ) P CHP ogniwo paliwowe (zgazowanie biomasy) P wg. Paska J. : Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych

33 Energia odpadowa Zasady wykorzystania energii odpadowej Nie ma technologii bezodpadowych Często koszty wykorzystania energii odpadowej są mniejsze niż koszty pozyskania paliwa na pokrycie tych potrzeb Zmniejszenie ilości spalanego paliwa ma dodatkowo korzystny wpływ na otoczenie

34 Energia odpadowa Zasady wykorzystania energii odpadowej ENERGIA ODPADOWA fizyczna 1) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonej temperatury 2) egzergia fizyczna gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonego ciśnienia 3) ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń

35 Energia odpadowa Zasady wykorzystania energii odpadowej ENERGIA ODPADOWA chemiczna wynika z różnicy składu chemicznego substancji odpadowej w stosunku do powszechnie występujących składników otoczenia 1) energia chemiczna palnych gazów odlotowych 2) egzergia chemiczna niepalnych gazów odlotowych (np. egzergia chemiczna azotu i gazów szlachetnych w procesie otrzymywania tlenu), 3) energia chemiczna palnych odpadów stałych (komunalnych i przemysłowych), 4) egzergia chemiczna niepalnych odpadów przemysłowych i komunalnych

36 Energia odpadowa ENERGIA ODPADOWA fizyczna (przykłady) 1) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonej temperatury Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

37 Energia odpadowa ENERGIA ODPADOWA fizyczna (przykłady) 1) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonej temperatury Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

38 Energia odpadowa ENERGIA ODPADOWA fizyczna (przykłady) 2) egzergia fizyczna gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonego ciśnienia, Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

39 Energia odpadowa ENERGIA ODPADOWA fizyczna (przykłady) 3) ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń,

40 Energia odpadowa ENERGIA ODPADOWA chemiczna (przykłady) 1) energia chemiczna palnych gazów odlotowych Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa

41 Energia odpadowa (ocena zasobów) Roczna ilość zaoszczędzonej en. napędowej E = µ EE Z od µ E mnożnik oszczędności energii Eod energia odpadowa = E E * Zi Z η * i Ei E bezpośrednia oszczędność i-tej postaci energii napędowej Zi η * Ei sprawność skumulowana wytwarzania i dostawy i-tej postaci zaoszczędzonej energii

42 Energia odpadowa (ocena zasobów) Rekuperacja I& 1 I& 2 ( ) = PS & T T 1 w 1 ot = P& + P& S T T 1 w 2 ot ( ) ( ) P& W = I& I& d 1 2 E Z = PW & = P & τ d 1 n S ( T T ) w1 w2 T T kal kal T T ot w2

43 Energia odpadowa (ocena zasobów) Nośnik ciepła dla zewnętrznych odbiorców E * Z Q& N = ζ P η η * η * Ec dp Eel N Z τ n * η dp η Ec N P N Z skumulowana sprawność produkcji i dostawy paliwa sprawność energetyczna produkcji ciepła moc potrzeb własnych urz. pomocniczych instalacji odzyskowej moc potrzeb własnych urz. pomocniczych instalacji zastąpionej

44 Energia odpadowa (ocena zasobów) Paliwa odpadowe E Z = ζ P & od W d od η η Eod E P τ n η Eod sprawność energetyczna zasilania paliwem odpadowym sprawność energetyczna zasilania paliwem nieodpadowym η > E P η Eod P & odw d od energia chemiczna odpadowa

45 Energia odpadowa (ocena zasobów) Podwyższone ciśnienie gazów odlotowych E * Z = n& g τ n ζ g ( MR) T ln ot * p p ot η η Br Eel η Br n& g sprawność egzergetyczna turbiny rozprężnej liczona w stosunku do turbiny izotermicznej strumień gazów ζ g stopień wykorzystania energii odpadowej

46 Energia odpadowa (ocena zasobów) Uzasadnieni ekonomiczne I = I + I + I 0 t w ( CF ) E k K K K K z, i z i e t w sr t =, i

47 Białe certyfikaty Ustawa o efektywności energetycznej Art Przetarg wygrywają te podmioty, które zadeklarowały wartość efektu energetycznego (ω), zawierający się w przedziale: gdzie: t (t x ω śr ; ω max ), współczynnik akceptacji ofert określany przez ministra właściwego do spraw gospodarki, ω max najwyższą zadeklarowaną w danym przetargu wartość efektu energetycznego, ω śr średnią wartość efektu energetycznego w danym przetargu

48 Analiza egzergetyczna i termoekonomia Energia 80 GJ 500 C 22 GJ I ZT 100 GJ 1000 C 40 C 57 GJ 30 C

49 Analiza egzergetyczna i termoekonomia Stopień wartości ciepła

50 Analiza egzergetyczna i termoekonomia Energia Egzergia 80 GJ 32 GJ 500 C 22 GJ 20 GJ I / II ZT 100 GJ 100 GJ 1000 C 40 C 30 C 57 GJ 4 GJ

51 Analiza egzergetyczna i termoekonomia Pierwsza i druga zasada termodynamiki I Law of Thermodynamics HEAT AND WORK ARE THE SAME II Law of Thermodynamics HEAT AND WORK ARE DIFFERENT All Joules are equal but some are more equal than others D. Rose (1986); Learning about Energy

52 Analiza egzergetyczna i termoekonomia Bilans egzergii Sprawność egzergetyczna η B = B& B& w d = P F 1 k B Jednostkowe zużycie egzergii B& 1 = d F = = 1 B& w P ηb F P = I >1

53 Koszt egzergetyczny T T j j j P F B B k = = * * [ ] ( ) [ ] + = = = DF (MF) ) ( ) ( 1 0 n j j j T x I x I F Analiza egzergetyczna i termoekonomia

54 Analiza egzergetyczna i termoekonomia Diagnostyka podsystem (A) podsystem (B) moc elektryczna j = 7 paliwo j = 1 i=1 para zasilająca j = 2 i=2 moc efektywna j = 6 G ciepło j = 10 spaliny j = 11 (10) woda zasilająca j = 5 i=3 para wylotowa j = 3 skropliny j = 4 i=5 i=4 ciepło j = 9 i (MF) (DF) 1 336,33 931, ,65 31,35 moc elektryczna do napędu pompy j = 8 3 8,89 3,40 osłona bilansowa 4 109,24 0,66

55 Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 1. Dopuszczaj do występowania strat egzergii tylko wówczas, gdy są one niezbędne do ograniczenia nakładów inwestycyjnych 2. Nie stosuj nadmiernych lub zbyt małych bodźców termodynamicznych umożliwiających realizacje procesów 3. Unikaj mieszania substancji różniących się temperaturą, ciśnieniem lub składem chemicznym Sama D., Szargut J.

56 Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 4. Unikaj chłodzenia gorącej substancji powietrzem atmosferycznym lub wodą chłodzącą oraz podgrzewania powietrzem atmosferycznym lub wodą chłodzącą czynnika mającego temperaturę niższą od temperatury otoczenia 5. Procesy przeciwprądowe są zawsze bardziej termodynamicznie sprawne niż współprądowe 6. Staraj się by w sieciach wymienników ciepła w każdym wymienniku temperatura końcowa jednego ze strumieni była bliska temperaturze początkowej drugiego Sama D., Szargut J.

57 Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 7. Pojemności cieplne strumieni wymieniających ciepło powinny być zbliżone. Jeżeli występują duże różnice, spróbuj rozdzielić strumień o większej pojemności cieplnej i skierować go do dwóch lub więcej wymienników ciepła 8. Unikaj pośredniego nośnika ciepła pomiędzy rozpatrywanymi strumieniami 9. Straty egzergii spowodowane przez tarcie hydrauliczne lub przez nieodwracalny przepływ ciepła są tym większe im niższa jest temperatura w procesie. Minimalizuj te straty szczególnie w temperaturze niższej od temperatury otoczenia Sama D., Szargut J.

58 Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 10. Unikaj dławienia gazów i par 11. Lokalizuj sprężarki i wentylatory w miejscach o najniższej temperaturze 12. Eliminuj nieszczelność rurociągów, zaworów i komór spalania 13. Pamiętaj, że w systemach napędzanych energią chemiczną, jądrowa lub mechaniczną straty ciepła odprowadzanego do otoczenia w skraplaczach turbin, ziębiarek itp. Są wynikiem przemian nieodwracalnych przebiegających w układzie Sama D., Szargut J.

59 Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 14. Unikaj sprężania pary uprzednio rozprężonej 15. Zmniejszając jakoś stratę egzergii staraj się nie zwiększać innej straty występującej równolegle 16. Unikaj wydłużania łańcucha przemian termodynamicznych 17. Staraj się realizować procesy skojarzone wytwarzające więcej niż jeden efekt użyteczny Sama D., Szargut J.

60 Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 18. Rozważaj zawsze wpływ proponowanych zmian energetycznych na straty egzergii w innych ogniwach procesu 19. Pamiętaj, że koszt jednostki egzergii zwiększa się w miarę postępu przemian termodynamicznych 20. Staraj się redukować straty egzergii w miejscach gdzie są one największe lub w miejscach, gdzie koszty jednostki egzergii jest większy Sama D., Szargut J.

61 Dziękuję za uwagę Wojciech Stanek Instytut Techniki Cieplnej ul. Konarskiego 22 tel