Techniczne aspekty wykorzystania ciepła systemowego do wytwarzania chłodu; przykłady zastosowania w kraju i zagranicą

Transkrypt

1 Centrum Szkoleniowe VII KONFERENCJA TECHNICZNA Techniczne aspekty wykorzystania ciepła systemowego do wytwarzania chłodu; przykłady zastosowania w kraju i zagranicą Oprac.: MARIAN RUBIK e- mail: m.rubik9@upcpoczta.pl WARSZAWA, r.

2 Chłód z ciepła. Sprawność systemu kogeneracyjnego spada w okresie letnim, kiedy dostawy ciepła nie są w takim stopniu potrzebne. Podjęto więc działania, aby wyprodukowanym ciepłem zaspokoić potrzeby chłodu. W tym celu ciepło dostarczane do klienta zostaje przetworzone w wodę lodową, która chłodzi pomieszczenia. Jest ona szczególnie potrzebna w pomieszczeniach technologicznych, w których do tej pory stosowano instalację wentylacyjno chłodniczą, wykorzystującą szkodliwe substancje freonowe. Drugim sposobem na dostarczenie wody lodowej jest wyprodukowanie jej w centralnej instalacji chłodniczej i dostarczenie przez specjalnie wybudowaną do tego celu sieć. Źródło: Temperatura i przepływy wody sieciowej System ciepłowniczy /ciepło systemowe/ Moc cieplna na potrzeby chłodzenia /u= Q oc /Q max / Aspekty techniczne /problemy/ Podział kosztów wytwarzania nośników System chłodniczy Absorpcyjne urządzenia chłodnicze /bromolitowe/

3 Elektrownia kondensacyjna Ciepłownia Wytwornica wody lodowej chłodzenie pośrednie Klimatyzator - chłodzenie bezpośrednie Energia napędowa I Energia napędowa II I Energia napędowa III Produkcja rozdzielona Proces I Energia elektryczna Proces II Ciepło Proces III Chłód η e = N/Q p η c = Q/Q p EER = Q o /N Energia napędowa Proces Produkcja skojarzona Energia elektryczna Ciepło Chłód Kogeneracja Trójgeneracja (podwójne skojarzenie)

4 Ideowy schemat systemów wytwarzania nośników energii na potrzeby budynków Energia wodna Zbiorniki wodne Hydroelektrownie System magazynowania energii elektrycznej Import/ eksport Zapotrzebowanie na energię elektryczną Energia elektryczna, źródła odnawialne Elektrownie Urządzenia chłodnicze Zapotrzebowanie na chłód Paliwa kopalne CHP Pompy ciepła/ kotły elektryczne Zapotrzebowanie na ciepło Ciepło odpadowe Ciepłownie, kotłownie Zasobniki ciepła

5 Harmonogram wdrażania i cele EPBD:2010/31/WE E i ( Edos exp,., i E i) wi 0 E dos.,i - energia dostarczona w formie nośnika i, w i - współczynnik nakładu na energię pierwotną do wytworzenia energii dostarczonej w postaci nośnika i, E exp,i - energia wyeksportowana w formie nośnika i, w i - współczynnik nakładu na energię pierwotną do wytworzenia energii wyeksportowanej w postaci nośnika i. Budynek niemal zero energetyczny (nnzeb): jest to budynek określony z wykorzystaniem reguły krajowego kosztu optymalnego zużywający więcej niż 0 kwh/(m 2 a) energii pierwotnej. Wg EPBD poziom optymalny pod względem kosztów to optymalny poziom charakterystyki energetycznej budynku zapewniający najlepszy wynik ekonomiczny w okresie LCC.

6 Klasyfikacja budynków w zależności od zużycia ciepła na potrzeby ogrzewania

7 Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i chłodzenia budynku biurowego w Warszawie / powierzchnia użytkowa ok m 2 /

8 PORÓWNANIE SPRĘŻARKOWYCH I ABSORPCYJNYCH URZĄDZEŃ CHŁODNICZYCH Urządzenie sprężarkowe Urządzenie absorpcyjne (bromolitowe) Skraplacz Woda chłodząca Q=129% Energia elektryczna N=29% Sprężarka Skraplacz Woda lodowa 7/12 o C Q o =100% Parowacz Warnik Ciepło Q w =80% Absorber Czynnik chłodniczy Czynnik chłodniczy - woda (R407C; R410A; R134a) (R718) EER = Q o /N=100/29=3,5 (1,015) COP=Q w /Q o =100/80=1,2 (1,08) GWP= GWP=0 (Total Equivalent Warming Impact) TEWI= m GWP τ +β E τ τ [kg CO 2 /τ] LiBr Woda chłodząca Q=180% Woda lodowa 7/12 o C Q o =100% Parowacz

9 MOC, TW Prognoza wystąpienia deficytu mocy w polskim systemie energetycznym (lato) Przeciążenie systemów elektroenergetycznych powoduje, że uwzględniając fakt uniknięcia kosztów inwestycyjnych rozbudowy tych systemów, to chłód wytwarzany w systemach absorpcyjnych staje się atrakcyjnym produktem

10 Q E C E Q Q P E Q P Q Q P Q p Układ trójgeneracyjny rozproszony (budynek użyteczności publicznej lub zakład wytwórczy)

11 K T T ~ WC AAC H AAC C 2 C 2 C 3 C 4 Ideowy schemat układu trójgeneracyjnego w systemie ciepłowniczym z EC jako źródłem ciepła : K- kocioł, T- turbina, WC wymiennik ciepłowniczy, AAC absorpcyjny agregat chłodniczy, C odbiorca chłodu, H odbiorca ciepła

12 u= Q oc /Q max Wykres regulacyjny temperatury wody sieciowej na potrzeby wytwarzania chłodu za pomocą chłodziarki bromolitowej (T z max =95 o C lato):t pch - temperatura wody powrotnej z chłodziarek, T pcw - temperatura wody powrotnej z wymienników c.w.u., T p - temperatura wody powrotnej po zmieszaniu (z węzła cieplno-chłodniczego), T zec - temperatura wody sieciowej na wyjściu z EC, T z - temperatura wody sieciowej na zasileniu węzła, t z - temperatura zewnętrzna, u- udział maksymalnej mocy cieplnej zużywanej do produkcji chłodu (przy t z =30 o C) odniesiony do maksymalnej mocy systemu ciepłowniczego (przy t z =-20 o C)

13 Jednostkowy całkowity (wytwarzania i transportu) koszt chłodu wytwarzanego w systemie trójgeneracyjnym w zależności od temperatury wody sieciowej T Z i udziału mocy cieplnej na potrzeby chłodu u (bazowe koszty zakupu i przesyłania ciepła; udział urządzeń absorpcyjnych w produkcji chłodu 0,7) u=0,04 T z 75 o C u=0,05 T z =85 o C u=0,06 T z =90 o C u=0,09 0,10 T z =95 o C

14 Efekt ekonomiczny [mln zł] Efekt ekonomiczny [mln zł] zł/gj 100 zł/gj 90 zł/gj lata Wpływ ceny chłodu na efekt ekonomiczny rozwoju rynku chłodu wg modelu proporcjonalnego [39] r=1 r=0,8 r=0, lata Wpływ redukcji ceny ciepła sieciowego na efekt ekonomiczny rozwoju rynku chłodu wg modelu proporcjonalnego [39] -100

15 Efekt ekonomiczny [mln zł] Efekt ekonomiczny [mln zł] zł/gj 100 zł/gj 90 zł/gj lata Wpływ ceny chłodu na efekt ekonomiczny w warunkach rozwoju rynku chłodu wg modelu intensywnego [39] r=1 r=0,8 r=0, lata Wpływ redukcji ceny ciepła sieciowego na efekt ekonomiczny w warunkach rozwoju rynku chłodu wg modelu intensywnego [39]

16 Przykłady rozwiązań

17 Projekt SUMMERHEAT w Europie

18 PRF Urządzenia: e Porównanie absorpcyjnych i sprężarkowych urządzeń chłodniczych

19

20

21

22 moc moc Ideowy schemat trójgeneracji w budynku Komisji Europejskiej Berlaymont w Brukseli

23 Trójgeneracja na lotnisku Madryt

24 System centralnego chłodzenia w Wiedniu / dzielnica TownTown/ Docelowa moc chłodnicza: 8,4 MW Źródła chłodu: dwie chłodziarki bromolitowe o mocy 2,2 MW każda /zasilane wodą o temperaturze 90 o C/ chłodziarka sprężarkowa o mocy 0,9 MW układ free coolingu o mocy 0,5 MW Powierzchnia chłodzona: > m 2 Liczba budynków: 21 Produkcja ciepła /w okresie maj wrzesień/: Spalarnia odpadów: 601 GWh Elektrociepłownia: 268 GWh Kotły szczytowe: 26 GWh

25 Porównanie wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej PRF i emisji CO 2 różnych systemów chłodzenia w Wiedniu

26 System centralnego chłodzenia w Kopenhadze Żródła chłodu: - łączne zapotrzebowanie na moc:21,8 MW, - źródło chłodu: chłodziarka sprężarkowa, absorpcyjna i free cooling, - nośnik: woda o temperaturze 6 o C, Produkcja chłodu: - chłodzenie swobodne: 29,3%, - chłodziarka sprężarkowa: 42,4,% - chłodziarka absorpcyjna: 28,3%.

27 Porównanie wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej PRF i emisji CO 2 różnych systemów chłodzenia w Kopenhadze

28 Rok 2000: moc chłodnicza: 97 MW, długość sieci: 42 km, zasobnik chłodu: 17,5 MW, liczba zasilanych obiektów: 221, temperatura wody lodowej: +5 o C

29 Węzeł chłodniczy w systemie DC - Paryż

30

31 Centralny układ chłodzenia w Barcelonie Źródło chłodu: -chłodziarki bromolitowe: 4x4500 kw, /nośnik chłodu: woda 5/14 o C/ - zbiornik wody lodowej 5000 m 3, - chłodziarki sprężarkowe: 3x4000 kw

32

33 Centralny układ chłodzenia w Sztokholmie /rejon Globen: obiekt sportowy i centrum handlowe/ Charakterystyka systemu: - liczba obiektów: 300, - rok budowy 1994, - moc chłodnicza (2000 r.)- 280 MW, - produkcja chłodu (2000 r.)- 350 GWh/a, - powierzchnia chłodzona: m 2, - czas wykorzystania mocy:350000/280=1250 h, - jednostkowe zużycie chłodu: / =62,5 kwh/(m 2 a) - jednostkowe zapotrzebowanie na moc chłodniczą: / =50 W/m 2

34 Rozwój produkcji chłodu sieciowego w Szwecji w latach

35 Rozwiązania krajowe Schemat układu trójgeneracyjnego w kopalni Pniówek

36 Centrala chłodnicza w kopalni Pniówek Chłodziarka absorpcyjna zasilana wodą 86/72 o C z układu chłodzenia korpusu chłodzenia silnika, oleju i powietrza po turbodoładowaniu (z lewej) chłodziarka absorpcyjna zasilana wodą 125/100 o C z układu chłodzenia spalin -prawej Silnik gazowy TBG632V16 o mocy 3,2 MW i mocy cieplnej 3,7 MW

37 Amoniakalna chłodziarka sprężarkowa w której następuje ochłodzenie wody od temperatury 6 do 1,5 2 o C. Ze względu na to, że czynnikiem chłodniczym jest amoniak (R717) chłodziarki pracują w układzie zamkniętym w wydzielonych pomieszczeniach z systemem wykrywania amoniaku i wentylacją awaryjną.

38 Układ trójgeneracyjny w kopalni Rudna

39 Budynek Goeppert - Mayer z układem trójgeneracyjnym /Górnośląski Park Przemysłowy- Katowice/ Pow. użyt m 2, zespół kogeneracyjny Vitobloc 200 typ EM238/363; czas zwrotu :4-6 lat

40 Trójgeneracja w Zespole Elektrociepłowni Poznańskich

41 CHŁÓD DLA WARSZAWY Urządzenia chłodnicze zainstalowane w pilotażowej instalacji w EC Siekierki: a) bromolitowa wytwornica wody lodowej typu TSA-16LJ-21P-LC, b) sprężarkowa wytwornica wody lodowej typu 30RB302

42 Pilotażowa instalacja chłodnicza w EC Siekierki

43

44

45 Zapotrzebowanie na moc chłodniczą w wybranych dzielnicach Warszawy

46

47 Koszty inwestycyjne różnych wariantów źródła chłodu, tys. zł Wariant źródła chłodu Element absorpcyjny AS sprężarkowy SWWL Wytwornica wody lodowej Stacja redukcyjnoschładzająca Pompy obiegowe Rurociągi System chłodzenia wytwornicy Zasilanie elektryczne Armatura Razem Nośnik Para wodna Energia elektryczna Woda Roczne koszty nośników energii, zł/a Wariant źródła chłodu absorpcyjny AS sprężarkowy SWWL Łączne koszty zmienne

48 Założenia do obliczeń rocznych kosztów eksploatacji: czas wykorzystania maksymalnej mocy: 888 h/a; AS COP= 0,64; SWWL EER= 2,83; koszt energii el. (netto) 137 zł/ MWh; koszt pary wodnej (nett) 18,23 zł/gj; koszt wody surowej 0,18 zł/m 3 ; okres amortyzacji: - AS 20 lat; - SWWL 10 lat Porównanie rocznych kosztów całkowitych różnych wariantów źródła chłodu Koszt energii elektr., zł/kwh 0,137 0,320 absorpcyjny AS 0,280 0,300 Wariant źródła chłodu sprężarkowy SWWL 0,270 0,390 Jednostkowe koszty wytwarzania chłodu, zł/ kwh

49

50

51 Serdecznie dziękuję : słuchaczom za uwagę, a organizatorom za życzliwość!