Zwiększenie efektywności energetycznej i ekonomicznej skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej przez zastosowanie zasobnika ciepła

Transkrypt

1 Zwiększenie efektywności energetycznej i ekonomicznej skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej przez zastosowanie zasobnika ciepła Wojciech KOSTOWSKI, Jacek KALINA, Janusz SKOREK Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej, Instytut Techniki Cieplnej 44-0 Gliwice, ul. Konarskiego 22 wkost@itc.polsl.pl, kalina@itc.polsl.pl, skorek@itc.polsl.pl W pracy przedstawiono zagadnienia związane z zastosowaniem zasobników ciepła w układach z gazowymi modułami kogeneracyjnymi. Przedstawiono bilans energii oraz uwarunkowania energetyczne pracy układu z zasobnikiem ciepła. Zaproponowano metodykę oceny efektywności energetycznej systemu. Przedstawiono zasady optymalizacji termodynamicznej i ekonomicznej doboru zasobnika. Przeprowadzono przykładową analizę doboru zasobnika w ramach projektu demonstracyjnego małej elektrociepłowni z silnikiem gazowym.. Wprowadzenie Nowoczesne układy skojarzone małej mocy, budowane na bazie silników tłokowych, turbin gazowych czy też mikroturbin i ogniw paliwowych dają możliwość instalacji układu wytwórczego wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną. Układy takie mogą w szczególności znaleźć zastosowanie do zasilania budynków (pojedynczych czy też grup) o różnej charakterystyce zmienności poboru nośników energii. Zwykle o wyborze rozwiązania technicznego układu zasilania obiektu decydują wyniki analizy ekonomicznej. Jedną ze specyficznych cech gazowych układów kogeneracyjnych jest jednoczesność produkcji energii elektrycznej i ciepła. Wytwarzania ciepła nie można tu uniknąć ze względu na zasady pracy silnika cieplnego czy ogniwa paliwowego, będącego głównym elementem układu. Ciepło to może być wykorzystane w zasilanym obiekcie jedynie w chwilach, gdy występuje na nie zapotrzebowanie. W przeciwnym wypadku musi ono zostać rozproszone w otoczeniu. W niektórych przypadkach poprawę efektywności energetycznej instalacji można uzyskać przez zastosowanie akumulacji ciepła w zasobniku. Wymaga to jednak poniesienia dodatkowych nakładów inwestycyjnych. Stąd też dobór zasobnika ciepła do układu powinien być przeprowadzony na drodze optymalizacji ze względu na maksymalizację efektu ekonomicznego. Ograniczeniami będą tu parametry techniczne oraz warunki eksploatacji zasobnika ciepła. Sposób rozwiązania problemu oraz czynniki wpływające na efektywność energetyczną i ekonomiczną układów z zasobnikami ciepła przedstawiono w niniejszej pracy.. Układy kogeneracyjne z zasobnikami ciepła W skład typowego układu wytwórczego energii elektrycznej i ciepła, pracującego na potrzeby określonych odbiorców, wchodzi moduł kogeneracyjny z układem wymienników ciepła i kotłem odzyskowym, kotły rezerwowo-szczytowe (zwykle gazowe), chłodnica wentylatorowa, komin i inne, mniej znaczące elementy. Opcjonalnie w układzie może zostać zainstalowany również zasobnik ciepła. Przykład takiego rozwiązania technologicznego przedstawiono na rys.. Schemat przedstawia obiekt, który poddano szczegółowej analizie w dalszej części pracy [].

2 Rys.. Uproszczony schemat układu z gazowym silnikiem tłokowym, kotłami gazowymi i zasobnikiem ciepła (CHP moduł kogeneracyjny z silnikiem tłokowym, K, K2, K3 kotły, Z zasobnik ciepła, CHW chłodnica wentylatorowa, ECO ekonomizer (opcjonalny) Cechą odróżniającą małe i średnie lokalne układy kogeneracyjne od tradycyjnych elektrociepłowni jest elastyczność przejmowania obciążeń, umożliwiająca regulację mocy według jednego z poniższych trybów pracy [4]: A. Praca zorientowana na produkcję ciepła (tzw. Heat Tracking HT) moc modułu regulowana jest według krzywej zapotrzebowania na ciepło, a energia elektryczna jest produktem ubocznym. Bilans energii elektrycznej zamykany jest poprzez odpowiednio jej zakup bądź sprzedaż do sieci. B. Praca zorientowana na produkcję energii elektrycznej (tzw. Electricity Tracking ET) moc modułu regulowana jest według krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną, a ciepło jest produktem ubocznym. Niedobory ciepła wytwarzane są w kotle, natomiast nadwyżki ciepła są rozpraszane w otoczeniu przez chłodnice wentylatorowe (chłodzenie silnika) lub w postaci gorących spalin. C. Praca modułu bez skojarzenia moduł wytwarza jedynie energię elektryczną, a ciepło jest rozpraszane w otoczeniu. D. Praca modułu pełną mocą bez względu na zapotrzebowanie ciepła i energii elektrycznej (tzw. Full Load FL) tryb ten jest kombinacją trybów A, B i C. Może tu wystąpić zarówno zakup jak i sprzedaż energii elektrycznej jak również wytwarzanie ciepła w kotłach czy też jego rozpraszanie. E. Układ nie pracuje zapotrzebowanie na ciepło jest pokrywane przez kotły, a energia elektryczna jest kupowana z sieci. F. Tryb ekonomiczny kombinacja trybów od A do E zapewniająca najlepszą efektywność ekonomiczną. Wymaga specjalistycznego oprogramowania, pozwalającego na optymalizację parametrów pracy w czasie rzeczywistym; G. Praca uwarunkowana podażą paliwa, stosowana w przypadku zasilania gazami specjalnymi. W trybach pracy w których okresowo występuje nadmiar ciepła (B, D a także F i G) celowe jest przeprowadzenie analizy efektów, jakie może dać zastosowanie akumulacji ciepła w zasobniku. Zastosowanie zasobnika ciepła w pewnym zakresie eliminuje konieczność rozpraszania nadwyżek ciepła do otoczenia (w zależności od wielkości zasobnika oraz czasu

3 występowania nadwyżek i niedoborów ciepła). W pewnych wypadkach zasobnik pozwala również zwiększyć elastyczność układu w przejmowaniu zmiennego obciążenia cieplnego. Pozwala na pracę kotłów szczytowych w obszarze charakterystyki, zapewniającym największą sprawność, wpływa na zmniejszenie częstości włączeń i wyłączeń kotłów szczytowych. W praktyce istnieje szereg rozwiązań konfiguracji układów kogeneracyjnych z kotłami szczytowymi i zasobnikami ciepła. Każde z nich charakteryzuje się innym sposobem połączenia urządzeń i wynikającym z niego sposobem regulacji pracą układu. Do najczęściej stosowanych systemów należą: a) równoległe połączenie modułu CHP, kotłów i zasobnika (rys. ), regulacja ilościowa; b) równoległe połączenie modułu CHP w zespół z zasobnikiem ciepła oraz szeregowe połączenie zespołu z kotłami szczytowymi, regulacja ilościowa [7]; c) równoległe połączenie modułu CHP w zespół z zasobnikiem ciepła oraz szeregowe połączenie zespołu z kotłami szczytowymi, regulacja jakościowa [7]. W przypadkach b) oraz c) zasobnik ciepła włącza się równolegle do modułu kogeneracyjnego, zaś rozwiązanie technologiczne całego systemu zależy od doboru i umiejscowienia zaworu trójdrogowego, sprzęgła hydraulicznego lub układu mieszającego. Przykłady takich rozwiązań przedstawiono na rys. 2 a,b,c. a) b) c) Rys. 2. Sposoby połączenia równoległego modułu CHP z kotłami szczytowymi przy regulacji ilościowej [7]: a) przed układem mieszającym i za zaworem trójdrogowym; b) przed sprzęgłem hydraulicznym i za zaworem trójdrogowym; c) przed sprzęgłem i przed zaworem trójdrogowym. (CHP moduł kogeneracyjny, Z zasobnik, K, K2 kotły) Do współpracy z małymi układami kogeneracyjnymi stosuje się zasobniki wyporowe gorącej wody. W zasobniku takim wskutek różnicy gęstości woda zasilająca utrzymuje się ponad wodą powrotną bez wymieszania, rozdzielona warstwą przejściową, co w znacznym uproszczeniu przedstawiono na rys. 3. Długotrwały kontakt tych wód powoduje stopniowe wyrównywanie temperatury toteż zasobniki wyporowe nadają się do wyrównywania obciążeń dobowych.

4 Rys. 3. Schemat ideowy zasobnika wyporowego, sposób podłączenia szeregowego zbiorników. Ładowanie zasobnika odbywa się przez doprowadzanie wody zasilającej od góry, przy czym ta sama ilość wody powrotnej opuszcza zbiornik od dołu. Rozładowywanie przebiega w przeciwnym kierunku. W celu uniknięcia wymieszania wody zasilającej z powrotną podczas procesów ładowania i rozładowywania wloty do zbiornika są wyposażone w końcówki zmniejszające prędkość ruchu cieczy do około 0,02 m/s [8]. Ze względu na minimalizację powierzchni kontaktu wody gorącej z powrotną oraz ze względu na dostępność miejsca zasobniki wyporowe można szeregowo łączyć w baterie (rys. 3). Należy podkreślić, że oprócz zasobnika ciepła pewną zdolność akumulacyjną posiadają również kotły szczytowe jak również sieć cieplna. Jest to korzystne z punktu widzenia pracy układu, gdyż dzięki temu zmniejsza się częstotliwość włączeń i wyłączeń urządzeń. 3. Uwarunkowania energetyczne pracy układu z zasobnikiem Chwilowy bilans mocy cieplnej układu wytwórczego bez zasobnika ciepła można zapisać w sposób następujący: n & CHP K Z = & & Kj & str & n CHPi i= j= gdzie: & Z chwilowe zapotrzebowanie ciepła, & CHPi moc cieplna i-tego modułu CHP, & Kj moc cieplna j-tego kotła, & str sumaryczny strumień strat ciepła, & N dopuszczalny niedobór ciepła (w dalszych rozważaniach przyjęto & N = 0 ), Oznaczając całkowitą produkcję ciepła w układzie wytwórczym przez & P oraz przyjmując, że nie występuje strata ciepła do otoczenia & str = 0, możemy przeanalizować chwilowy bilans mocy cieplnej &, który jest podstawowym źródłem informacji o możliwości akumulacji ciepła w układzie. Stanowi on różnicę chwilowej mocy cieplnej wytwarzanej i chwilowego zapotrzebowania u odbiorców & Z : P Z N () & = & &. (2) Chwilowy bilans mocy cieplnej może być dodatni lub ujemny, co oznacza występowanie odpowiednio nadwyżki mocy cieplnej & bądź niedoboru mocy cieplnej & :

5 & & = 0 dla & dla & > 0 0 oraz & < dla & 0 & = (3 a,b) 0 dla & 0 Chwilowy bilans (nadmiar bądź niedobór) mocy cieplnej określa status pracy zasobnika. W czasie występowania nadmiaru ( & 0 ) zasobnik jest ładowany, a w czasie niedoboru ( & 0) rozładowywany, przy czym procesy te są ograniczone pojemnością zasobnika. Analiza pracy zasobnika wymaga znajomości nie tylko chwilowych mocy cieplnych, lecz także okresowych nadwyżek oraz okresowych niedoborów ciepła. W okresie czasu pomiędzy chwilami i 2 nadwyżka i niedobór ciepła wynoszą odpowiednio: 2 2 = & d oraz 2 2 d = &. (4 a,b) W praktyce, na etapie projektowania, rzadko dostępne są dane dotyczące rzeczywistej zmienności w czasie chwilowej mocy cieplnej & Z,. W niektórych przypadkach dostępne są natomiast dane operacyjne bądź założenia projektowe dotyczące okresowego zapotrzebowania ciepła w odstępach czasu równych najczęściej = 60 minut (czasem również 30 lub 5). Dane te można wprowadzić do obliczeń również w postaci modeli zmienności obciążenia cieplnego [2]. We wzorach (2, 3 a,b) moce cieplne & należy zamienić na analogiczne ilości ciepła zmierzone w okresie, lub prowadzić analizę w oparciu o moce średnie & = (5) Całki (4 a,b) należy zamienić na odpowiednie sumy. Przykładowo, roczny nadmiar i niedobór ciepła dla = 60 min = h oblicza się następująco: R = 8760 h = = h oraz R = 8760 h = (6 a,b) Przykładowy bilans mocy cieplnej oraz okresowego nadmiaru i niedoboru ciepła przedstawiono na rys. 4. = h Rys. 4. Bilans mocy cieplnej & ( ), bilans ciepła w jednostkowym czasie, okresowy nadmiar ciepła 2 oraz okresowy niedobór 2

6 Proces akumulacji jest ograniczony trzema czynnikami:. Okresowe nadmiary ciepła nie są równe okresowym niedoborom, toteż w badanym okresie: a) 2 > 4 3, nie cały zakumulowany nadmiar może być odebrany i część ciepła musi być rozpraszana do otoczenia, lub b) 2 < 4 3, po pobraniu całej zakumulowanej gorącej wody z zasobnika ciepło musi być wytwarzane w kotle szczytowym. 2. Pojemność cieplna zasobnika jest ograniczona i w przypadku zasobnika wyporowego wynosi (bez uwzględnienia strat ciepła z zasobnika do otoczenia): max = Vc ( t t ) (7) w gdzie: V objętość zasobnika; c W pojemność cieplna właściwa wody (nośnika akumulowanego), (t z t p ) różnica temperatur wody zasilającej i powrotnej (na podstawie charakterystyki regulacyjnej sieci cieplnej). 3. Podczas akumulacji wody w zasobniku występują straty zdolności akumulacyjnej. Problem ten omówiono w rozdziale 4. Ta część nadmiaru ciepła, której zakumulowanie w zasobniku i późniejsze odebranie jest możliwe, decyduje o zmniejszeniu produkcji energii w kotle szczytowym. W ten sposób zasobnik ciepła wpływa na zmniejszenie zużycia energii pierwotnej nie w samym module kogeneracyjnym, lecz we współpracującym z nim kotle szczytowym. 4. Efektywność energetyczna i ekonomiczna zasobnika Idealny zasobnik ciepła pozwalałby bez strat akumulować dowolne ilości ciepła na dowolnie długi okres, a jedyne ograniczenie wynikałoby z nierówności okresowych nadmiarów i niedoborów ciepła (ograniczenie ). W rzeczywistym procesie akumulacji występują następujące straty ciepła do otoczenia: straty operacyjne δ, wynikające ze skończonej pojemności cieplnej zasobnika, co powoduje, iż część nadmiaru, która mogłaby zostać później odebrana nie może zostać zakumulowana; straty fizyczne δ 2, spowodowane przenikaniem ciepła z zasobnika do otoczenia; straty fizyczne δ 3, spowodowane kontaktem wody zasilającej z powrotną w zasobniku wyporowym (przez stratę rozumiana wyłącznie jest ta ilość ciepła, która trafia do otoczenia w wyniku wzrostu temperatury wody powrotnej ponad ustaloną wartość). Zarówno straty δ 2 jak i δ 3 powodują, że gorąca woda odbierana z górnej części zasobnika ma temperaturę niższą niż temperatura wody zasilającej. Obniżona temperatura wody gorącej odbierana z zasobnika w okresie jego rozładowywania wymaga zwiększenia ilości ciepła doprowadzanego w źródle. W okresach występowania nadmiaru ciepła w układzie ( & > 0, ładowanie zasobnika) woda powrotna jest odbierana z dolnej części zbiornika. W wyniku jej wcześniejszego kontaktu z gorącą wodą zasilającą może ona mieć temperaturę wyższą od temperatury wody powrotnej w systemie grzewczym. Ciepło, które przejmuje woda zimna w zasobniku wpływa zatem na podniesienie entalpii wody powrotnej, co chwilowo zmniejsza ilość energii doprowadzonej do układu w kotłach. Należy mieć jednak na uwadze, że w przypadku układu z silnikiem tłokowym wymagana jest stała temperatura wody powrotnej na wejściu do układu chłodzenia silnika (zwykle 70 O C). Przy wzroście temperatury wody powrotnej ponad wartość określoną instrukcją z p

7 eksploatacji maszyny, włączany jest obieg chłodnicy wentylatorowej, a ciepło w ilości δ 3 jest rozpraszane w otoczeniu). Wszystkie straty ciepła muszą być zrekompensowane przez produkcję ciepła w kotle (kotłach) szczytowym. Bilans energii procesu akumulacji ciepła w zasobniku zilustrowano wykresem pasmowym na rys. 5. Rys. 5. Bilans energii procesu akumulacji ciepła w układzie skojarzonym z zasobnikiem wyporowym Produkcja ciepła w kotle (kotłach) szczytowym (KS) składa się z dwóch części: a) KS wytwarzanie ciepła w KS gdy w zasobniku znajduje się woda do odebrania, lecz ma ona temperaturę niższą od wymaganej; b) KS2 wytwarzanie ciepła w KS w okresach, gdy w zasobniku brak jest gorącej wody do odebrania. Produkcja ta jest mniejsza od niedoboru ciepła o ilość ciepła 2 odebraną z procesu akumulacji: KS = KS KS 2 = 2 (8) W układzie bez akumulacji cała wartość niedoboru ciepła musi zostać pokryta przez kotły szczytowe: KS = W celu oceny efektywności energetycznej procesu akumulacji ciepła w zasobniku można zdefiniować następujące wskaźniki, charakteryzujące proces: - wskaźnik możliwości akumulacji, opisujący jaką część nadmiaru ciepła można zakumulować w zasobniku: gdzie ciepło zakumulowane w zasobniku (rys. 5), (9) δ w = = (0)

8 - efektywność całkowitą akumulacji, opisującą jaką część nadmiaru można zakumulować a następnie odebrać: δ δ δ3 = = () 2 2 ε gdzie 2 ciepło odebrane z zasobnika (rys. 5) - sprawność zasobnika, opisującą stosunek ciepła odebranego do zakumulowanego: δ δ ε = (2) δ w η = = - wskaźnik pokrycia niedoboru, opisujący jaka część niedoboru ciepła może zostać pokryta z zasobnika: 2 KS w2 = = = ε (3) Przedstawione wskaźniki są zmienne w różnych okresach pracy zasobnika. W analizie efektywności układu z zasobnikiem ciepła należy brać zatem pod uwagę wartości okresowe, np. roczne. Oszczędność energii chemicznej paliwa, wynikająca z zastosowania zasobnika jest różnicą zużycia energii w układzie bez zasobnika i z zasobnikiem: PW d = η KS EK η gdzie: P ilość paliwa, W d wartość opałowa paliwa, η EK średnia sprawność energetyczna kotła w analizowanym okresie. Podkreślić należy, że średnia sprawność energetyczna kotła w układzie bez zasobnika i z zasobnikiem może być różna ( η EK ) ( η EK ) 2, gdyż w wyniku zastosowania zasobnika kocioł inaczej przejmuje zmienne obciążenie cieplne i pracuje w innych punktach charakterystyki. Różnica jest tym większa, im bardziej jest stroma charakterystyka energetyczna kotła. Przy założeniu, że ( η EK ) = ( η EK ) 2 oraz wykorzystaniu wskaźników (0) do (2) otrzymujemy: PW d ε = η EK KS EK wη = η Oszczędność energii chemicznej paliwa wynika więc z nadwyżki ciepła, możliwości akumulacji, sprawności zasobnika oraz sprawności energetycznej kotła szczytowego. Maksymalna oszczędność energii chemicznej paliwa w układzie stanowi kryterium termodynamiczne doboru zasobnika ciepła. EK 2 (4) (5) PW max (6) d Przekłada się ona bezpośrednio na efekt ekonomiczny w postaci oszczędności kosztów energii napędowej K e kotła szczytowego: K = PW c (7) e gdzie c e to jednostkowa cena zakupu paliwa przeliczona na jednostkę energii np. zł/gj. d e

9 Z drugiej strony instalacja zasobnika ciepła wymaga poniesienia dodatkowych nakładów inwestycyjnych w ilości J 0. Stąd też kryterium ekonomicznym dobory zasobnika ciepła powinna być maksymalizacja całkowitego efektu ekonomicznego, wyrażonego np. wartością bieżącą netto inwestycji [4]: N CFt NPV = J t 0 max (8) ( r) t = gdzie: CF t różnica przepływów pieniężnych w kolejnych latach t eksploatacji w układzie bez zasobnika i z zasobnikiem, r stopa dyskonta, N liczba lat eksploatacji obiektu. Podkreślić należy, że w niektórych przypadkach instalacja zasobnika ciepła może prowadzić do zmniejszenia wymaganej mocy zainstalowanej w kotłach szczytowych (a w niektórych przypadkach także ich liczby). Wiąże się to z obniżeniem nakładów inwestycyjnych. Tak więc w nowo planowanych obiektach należy porównywać efekty ekonomiczne dla całych instalacji, nie tylko zasobnika ciepła. 5. Model numeryczny pracy zasobnika W celu doboru zasobnika, przez co należy rozumieć dobór objętości V oraz stosunku wysokości H do średnicy D (smukłości) zastosowano prosty model numeryczny pracy zasobnika, składający się z dwóch modułów obliczeniowych: modułu obliczeń numerycznych przepływu ciepła z uwzględnieniem przewodzenia oraz strat ciepła do otoczenia, modułu umożliwiającego modelowanie procesów ładowania i rozładowania zbiornika. Model numeryczny przepływu ciepła został sporządzony w oparciu o metodę bilansów elementarnych. Zbiornik podzielono na n poziomych, cylindrycznych elementów, dla których zapisano bilans energii. W procesie rozwiązywania powstałego układu n równań zastosowano schemat jawny na podstawie znajomości aktualnego pola temperatury (w kroku czasu k) oblicza się ilość ciepła pobranego przez i-ty element w czasie od sąsiednich (j-tych) elementów a następnie oblicza się przyrost energii wewnętrznej elementu jako różnicę w chwili k oraz k: k k k k A ji tj t i = Vc i piρi ( ti t i ) R, (9) j ji gdzie: A odpowiednia powierzchnia przepływu ciepła, R opór cieplny, V i objętość i-tego elementu, c p, ρ ciepło właściwe oraz gęstość płynu w elemencie, i, j numery elementów objętościowych. Przyjęto warunek brzegowy trzeciego rodzaju, w ramach którego dane są temperatura otoczenia, współczynniki wnikania ciepła na zewnętrznych i wewnętrznych powierzchniach zasobnika oraz opory cieplne przewodzenia przez ścianki zbiornika. Z równania (20) można bezpośrednio obliczyć temperaturę w chwili k dla dowolnego elementu podziału numerycznego zbiornika. Przyjęta w modelu liczba elementów dyskretyzacji wynosiła n = 500, a krok czasowy = 60 s, co oznacza, że co minutę wyznaczane jest pole temperatury w zbiorniku. Moduł symulacji procesów ładowania i rozładowywania zasobnika składa się z następujących procedur: określenie wartości chwilowych nadwyżek k k oraz niedoborów związanej z tym fazy użytkowania zasobnika (ładowanie/rozładowanie); k k ciepła oraz

10 przeliczenie wartości nadwyżki bądź niedoboru ciepła na objętość wody V ak : dodatnią do zakumulowania, bądź ujemną do odebrania, przy danym poziomie temperatury w systemie grzewczym: V ak = ( ) ρc T T w z p ; (20) przeliczenie objętości wody do zakumulowania na ilość elementów dyskretyzacji n do przesunięcia w dół (ładowanie) bądź w górę (rozładowanie) zasobnika: V ak n= n; (2) V zasobnika Podczas ładowania, elementy przesuwane są w dół, zaś n górnych elementów wypełnianych jest wodą zasilającą przyjmując temperaturę T z. Podczas rozładowania, elementy przesuwane są w górę, zaś n dolnych elementów wypełnianych jest wodą powrotną przyjmując temperaturę T p. Temperatury T z oraz T p określane są na podstawie charakterystyki sieci cieplnej. przy rozładowywaniu następuje obliczenie ilości ciepła, jakie trzeba doprowadzić do systemu, aby zrekompensować straty powstałe w procesie akumulacji: n n n ( ) δ = V ρc T T i w z i gdzie T i jest temperaturą i-tego elementu wody rozładowywanej z zasobnika. Szczegóły modelu pracy zasobnika przedstawiono w [6]. Daną wejściową do modelu numerycznego pracy zasobnika jest roczny rzeczywisty przebieg bilansu ciepła (2) z krokiem czasu 5 minut, a wynikiem jest produkcja ciepła w kotle szczytowym KS. Powtarzając obliczenia dla kolejnych wartości objętości oraz stosunku średnicy do wysokości poszukuje się optimum termodynamicznego i ekonomicznego wielkości i kształtu zasobnika. 6. Przykładowa analiza zastosowania zasobnika ciepła w układzie z modułem kogeneracyjnym Analizę techniczną i ekonomiczną układu z zasobnikiem ciepła przeprowadzono w ramach projektu demonstracyjnego lokalnego źródła ciepła i energii elektrycznej, pracującego na potrzeby wydzielonej grupy odbiorców [][2][3]. Z projektowanego źródła będzie zasilanych kilka odbiorów o różnej charakterystyce zużycia nośników energii. Odbiorami tymi są: kompleks budynków szkolnych (6 budynków), kuchnia, kryta pływalnia ogrzewanie, kryta pływalnia technologia, oczyszczalnia ścieków. Uproszczony schemat planowanego układu energetycznego przedstawiono na rys.. W pierwszej fazie realizacji projektu przeprowadzono analizę zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną i ciepło [][2]. W wyniku tej analizy określono następujące parametry: roczne zużycie całkowite energii elektrycznej: kwh, roczne zużycie całkowite ciepła: 7327 GJ, maksymalna wymagana moc elektryczna: 78 kw, średnia moc elektryczna: 87 kw, maksymalna wymagana moc cieplna: 27 kw, średnia moc cieplna: 232 kw, (22)

11 Dla potrzeb optymalizacji doboru urządzeń opracowano również dobowe wykresy zmienności obciążenia cieplnego i elektrycznego planowanego źródła. Założono, że podstawowymi elementami składowymi będą kotły gazowe, moduł kogeneracyjny z silnikiem gazowym, chłodnica wentylatorowa. Przyjęto parametry obliczeniowe gorącej wody wytwarzanej w układzie równe 90/70 O C. Energia elektryczna wytwarzana w układzie przez rozdzielnię główną będzie kierowana bądź do odbiorców bądź też do sieci elektroenergetycznej zakładu energetycznego. W przypadku niedoborów energii elektrycznej z agregatu, będzie ona pobierana z sieci elektroenergetycznej. Wstępna optymalizacja doboru urządzeń została przeprowadzona z zastosowaniem metody przeszukiwania zbioru dopuszczalnych rozwiązań [3]. Analizę symulacyjną pracy obiektu przy zmiennym obciążeniu cieplnym i elektrycznym wykonano metodą godzina po godzinie dla okresu całego roku. W analizie wstępnej nie dobierano objętości zasobnika ciepła. Na rysunku 6 przedstawiono wartości straty ciepła do otoczenia w poszczególnych wariantach mocy modułu koneneracyjnego w trybach pracy ET oraz pełną FL. Rys. 6. Strata ciepła do otoczenia w poszczególnych wariantach konfiguracji układu [] Po wykonaniu obliczeń analizy energetycznej obliczano roczne przepływy finansowe związane z danym wariantem konfiguracji oraz wskaźniki opłacalności projektu w stosunku do układu gospodarki rozdzielonej. Jako przypadek odniesienia przyjęto instalację kotłów gazowych oraz zakup całości energii elektrycznej z sieci. Cenę zakupu gazu ziemnego oceniono na podstawie taryfy gazowej Górnośląskie Spółki Gazownictwa Sp. z o.o. Zgodnie z tą taryfą obiekt zakwalifikowano do grupy taryfowej W6. W przypadku instalacji jedynie kotłowni gazowej jednostkową cenę paliwa gazowego oszacowano na PLN/Nm 3 (0.97 z VAT). Ceny zakupu energii elektrycznej oszacowano wg taryfy Górnośląskiego Zakładu Elektroenergetycznego (GZE) odpowiednio: - kryta pływalnia (taryfa C2): PLN/MWh, - szkoły (taryfa C): 336,7 PLN/MWh. W trybach pracy HT oraz FL wystąpi sprzedaż nadwyżek energii elektrycznej do sieci zewnętrznej. Cenę sprzedaży nadwyżek energii elektrycznej do sieci przyjęto zgodnie z deklaracjami GZE jako równą 40 PLN/MWh. Wyniki analizy opłacalności projektu w poszczególnych wariantach konfiguracji układu przy różnych trybach pracy modułu kogeneracyjnego przedstawiono na rys. 7.

12 Rys. 7. Wyniki wstępnej analizy opłacalności projektu w różnych wariantach mocy modułu z silnikiem gazowym [][3] Obliczenia pokazały, że projekt zakładający instalację gazowego modułu kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym może być opłacalny w stosunku do gospodarki rozdzielonej. Zakres mocy elektrycznej agregatu, w którym spodziewane jest uzyskanie najkorzystniejszych wskaźników opłacalności projektu wynosi 0 20 kw. Najkorzystniejszym trybem pracy układu kogeneracyjnego jest tryb pracy zgodny z zapotrzebowaniem na energię elektryczną (ET). W dalszej części pracy przeprowadzono dokładną analizę ekonomiczną dla konkretnych urządzeń zaproponowanych do instalacji w układzie. Rozpisano zapisania ofertowe do potencjalnych dostawców urządzeń oraz wykonawców robót. W wyniku analizy przyjęto, że w projektowanym układzie kogeneracyjnym zainstaowany zostanie moduł z gazowym silnikiem spalinowym o mocy elektrycznej N el = 04 kw i o mocy cieplnej = 49 kw. Sprawność elektryczna modułu wynosi η el = 35,7%. Będzie on współpracował z trzema kotłami szczytowymi o mocach cieplnych oraz 50 kw o sprawnościach η EK = 92%. W celu doboru zasobnika przeanalizowano wartość bilansu ciepła (2) dla wartości estymowanych z krokiem czasu = 5 minut. W przedstawionej analizie przez produkcję ciepła należy rozumieć wyłącznie ciepło produkowane w module kogeneracyjnym (nie w kotłach szczytowych). Przebieg bilansu ciepła (2) w okresie tygodniowym oraz rocznym przedstawiono na rys Moc cieplna, kw produkcja bilans zapotrzebowanie czas, - 7 stycznia Bilans ciepła, kw czas, stycznia - 3 grudnia Rys. 8. Bilans ciepła w układzie kogeneracyjnym w przykładowym okresie tygodniowym oraz w okresie rocznym

13 Charakterystyczna dla rozpatrywanego systemu jest znaczna, w okresie rocznym, przewaga niedoboru mocy cieplnej nad jej nadmiarem, co można także przedstawić na wykresie uporządkowanym bilansu ciepła (rys. 9). Wynika to głównie z faktu doboru agregatu kogeneracyjnego o stosunkowo małej mocy w stosunku do zapotrzebowania ciepła. Bilans ciepła, kw nadmiar: 5 MWh niedobór: 82 MWh czas, h Rys. 9. Wykres uporządkowany bilansu ciepła w układzie kogeneracyjnym Nadmiar mocy cieplnej wytwarzanej w module kogeneracyjnym występuje jedynie przez około 2000 godzin w roku, a sumaryczny roczny nadmiar wynosi = 5 MWh. Przez większość roku występuje niedobór mocy cieplnej, a jego sumaryczna wartość wynosi = 82 MWh. Nadwyżki ciepła występują głównie w okresie letnim. W okresie zimowym zasobnik może być wykorzystywany jedynie do wyrównywania obciążenia kotłów gazowych. W idealnym procesie akumulacji całą wartość nadmiaru można przekazać w celu jego późniejszego wykorzystania w okresie niedoboru i zmniejszenia zużycia energii w kotle szczytowym. Różnica tych wartości określa miminalne możliwe zużycie paliwa w kotłach szczytowych: KS, min = 82 5 = 067 MWh (23) Wskaźnik pokrycia niedoboru zdefiniowany zależnością (3) wynosi zatem w 2, max = 5/82 = 9,7%, co jest wartością bardzo małą. Pomimo to przeprowadzono optymalizację termodynamiczną i ekonomiczną doboru zasobnika. Jako kryterium ekonomiczne oblicza się zmianę wartość bieżącej netto NPV w stosunku do wariantu bez zasobnika (9). Cena zasobnika została określona, na podstawie zebranych danych rynkowych, następującą zależnością: C = 906,4 V 0,9084 (24) gdzie objętość V wyrażana jest w [m 3 ]. Jest to cena netto w PLN, zasobnika stalowego, malowanego. Do tak wyznaczonej ceny doliczano 20% na oprzyrządowanie zasobnika. Średnią sprawność kotłów szczytowych przyjęto η ΕΚ = 90%. Wyniki optymalizacji termodynamicznej przedstawiono na rys. 0. Maksymalną oszczędność energii chemicznej paliwa (6) dla objętości zasobnika V = 25 m 3, dla przy której produkcja ciepła w kotłach szczytowych zmniejsza się o KS = 43,64 MWh/a, a wskaźnik pokrycia niedoboru wynosi w 2 = 3,69%. Widoczne jest, że przy tak niekorzystnym rocznym rozkładzie bilansu mocy cieplnej (nadwyżka występuje jedynie w miesiącach letnich) uzyskanie (i tak niskiego) teoretycznego wskaźnika pokrycia niedoboru w 2, max = 9,7% jest niemożliwe. Wpływ stosunku średnicy do wysokości H/D jest znikomy i mieści się w granicach błędu obliczeń numerycznych. W następnej kolejności przeprowadzono optymalizację ze względu na kryterium ekonomiczne. Wyniki przedstawiono na rys.. Analiza pokazała, że optimum ekonomiczne

14 leży znacznie poniżej optimum termodynamicznego. Przy określonym koszcie zasobnika jego położenie jest nieznacznie zależne od ceny gazu. Istotną informacją jest również to, że w wyniku zastosowania zasobnika ciepła uzyskano poprawę wskaźnika NPV w stosunku do wariantu bez zasobnika Zmniejszenie zuzycia gazu DP, m H/D = 2 H/D = V, m 3 Rys. 0. Wyniki optymalizacji termodynamicznej objętości zasobnika, objaśnienia w tekście cena gazu 0,8 zł/m3 cena gazu,2 zł/m DNPV, PLN V, m 3 Rys.. Wyniki optymalizacji termodynamicznej objętości zasobnika, objaśnienia w tekście 7. Wnioski W rozpatrywanym układzie kogeneracyjnym pracującym w trybie ET, tj. regulacji mocy według zapotrzebowania elektrycznego ilość ciepła produkowanego w module CHP jest niewielka w stosunku do zapotrzebowania. Z tego powodu istnieje niewielka nadwyżka ciepła możliwa do zakumulowania. Ponadto nadwyżki mocy cieplnej występują jedynie w miesiącach letnich. Pomimo tego w wyniku zastosowania zasobnika ciepła uzyskano zmniejszenie zużycia paliwa w układzie oraz zwiększenie efektywności ekonomicznej inwestycji w stosunku do układu bez zasobnika. Optymalna objętość zasobnika jest różna ze względu na kryterium termodynamiczne i ekonomiczne. Maksymalna oszczędność energii chemicznej paliwa PW d ma miejsce przy objętości zasobnika ok. 20 m 3 podczas gdy maksymalny przyrost wartości bieżącej netto NPV występuje przy instalacji zasobnika o objętości około 4 5 m 3. Zastosowanie zasobnika może dać dodatkowe korzyści, jeżeli umożliwi się jego ładowanie nie tylko gorącą wodą z modułu CHP, lecz także wytwarzaną w kotłach. Podłączenie strony zasilającej kotłów z zasobnikiem zmniejsza wahania mocy cieplnej

15 kotłów, umożliwiając ich pracę z optymalną mocą i maksymalną sprawnością. Korzyści w tym wypadku nie wynikają jednak z zagospodarowania ciepła odpadowego (z układu CHP) a jedynie z optymalizacji pracy kotłów. Zarówno wyznaczenie tych korzyści, jak i rozwiązanie układu regulacji jest jednak w tym przypadku bardziej skomplikowane. W przypadku wzrostu ceny sprzedaży energii elektrycznej produkowanej w układzie kogeneracyjnym optymalna moc elektryczna modułu z silnikiem gazowym będzie większa. Poprawi to również bilans układu cieplny z punktu widzenia procesu akumulacji i może umożliwić lepsze wykorzystanie zasobnika oraz instalację kotłów szczytowych mniejszej mocy. Literatura [] Kalina J. Skorek J.: Projekt demonstracyjny źródła ciepła i energii elektrycznej dla kompleksu budynków. Wyniki projektowania wstępnego. Materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej 2005 Energetyka Gazowa, Szczyrk, [2] Kalina J., Skorek J.: Small-scale cogeneration for building applications. Part energy demand analysis at demonstration site. Proceedings of the 6th International Conference Energy for buildings Wilnius, Lithuania, (ISBN X) [3] Kalina J., Skorek J.: Small-scale cogeneration for building applications. Part 2 optimal sizing of the CHP plant. Proceedings of the 6th International Conference Energy for buildings Wilnius, Lithuania, (ISBN X) [4] Skorek J. Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej układów kogeneracyjnych małej mocy. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice ISBN [5] Skorek J., Kalina J., Kostowski W. Techniczne, ekologiczne i ekonomiczne uwarunkowania kogeneracji w układach gazowych. ZNPol.Śl. seria Energetyka z. 39. Gliwice [6] Skorek J., Kostowski W. Model pracy zasobnika ciepła zintegrowanego z małym układem skojarzonym. XVIII Zjazd Termodynamików, Muszyna [7] Gasunie, Ontwerpregels voor inpassing warmte/kracht in CV-systemen. Materiały niepublikowane firmy Gasunie, 995. [8] GE Jenbacher, Blockheizkraftwerk mit Gasmotoren Hydraulische Einbindung. materiały niepublikowane firmy GE Jenbacher. Jenbach, Austria, Praca wykonana w ramach projektu badawczego nr 4 T0B finansowanego ze środków Komitetu Badań Naukowych. Autorzy wyrażają podziękowania za dofinansowanie badań.