Referat pracy dyplomowej. Hybrydowy system ogrzewania ciepłej wody użytkowej oparty na odnawialnych źródłach energii

Transkrypt

1 Referat pracy dyplomowej Temat pracy dyplomowej: Hybrydowy system ogrzewania ciepłej wody użytkowej oparty na odnawialnych źródłach energii Godło autora Denver

2 I. Wprowadzenie Zanieczyszczenie środowiska oraz wyczerpywanie się zasobów paliw konwencjonalnych i fakt globalnego ocieplenia wydają się być jednymi z głównych problemów przed jakimi stoi ludzkość w XXI wieku. Proces produkcji energii z paliw kopalnych w dużym stopniu jest odpowiedzialny za antropogeniczną emisje gazów cieplarnianych, kwaśne deszcze oraz inne, negatywne dla zdrowia i środowiska skutki. Konieczne jest zatem podjęcie wszelkich możliwych działań mających na celu zapobiec nasileniu się szkodliwych efektów działalności człowieka. Odpowiedzią na przedstawione zagrożenia są trzy składniki zrównoważonego rozwoju energetycznego rozwoju w dużej mierze bez negatywnych wpływów na zdrowie i środowisko : oszczędność energii u samych podstaw, efektywne użycie energii oraz energetyka odnawialna jako przyjazna środowisku forma energii. Referat ten, przedstawia analizę techniczną pilotażowego projektu Solary Na MONARy, gdzie tzw. hybrydowy (combi) system ma służyć produkcji ciepłej wody użytkowej na potrzeby ośrodka dla osób uzależnionych od narkotyków i alkoholu- MONAR. Projekt ten ma cechy innowacyjności, gdyż zakłada wykorzystanie, w systemie hybrydowym, energii z trzech odnawialnych źródeł, a mianowicie: energii ze spalania biomasy, energii promieniowania słonecznego oraz wiatru. Projekt systemu jest również przykładem realizacji idei zintegrowanego planowania zasobów energetycznych (IRP Integrated Resorce Planning) opartej na minimalizacji kosztów działalności oraz minimalizacji degradacji środowiska naturalnego. II. Projekt Solary Na MONARy Wprowadzenie do projektu W latach The Krakow Institute For Sustainable Energy (KISE) z grupą studentów i profesorów z Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie (AGH) wdrożyli 1

3 projekt w ramach programu Unii Europejskiej Equal w kilku ośrodkach MONAR. Głównymi zadaniami projektu były: szkolenia pacjentów ośrodków MONARu w zakresie przeprowadzania prostych, rentownych termo-modernizacji oraz w zakresie obsługi kotłów na biomasę, tym samym dając szansę pacjentom na znalezienie pracy po zakończeniu leczenia. prezentacje, mające na celu pokazanie jak koszt prowadzenia poszczególnych ośrodków może zostać zmniejszony przez efektywne użycie energii oraz korzystanie z lokalnych źródeł energii Powyższy projekt cieszył się dużym powodzeniem i to, w roku 009 dało podwaliny pod zaprojektowanie nowego przedsięwzięcia pod nazwą Solary Na MONARy. W tym projekcie kolektory słoneczne mają być instalowane na obiektach ośrodków MONAR w celu zaopatrywania ich w ciepłą wodę użytkową, i tym samym oszczędzenia używanej biomasy na okres zimowy dla potrzeb ogrzania pomieszczeń. Pilotażowym ośrodkiem projektu Solary Na MONARy został ośrodek w Lipiance ( E, N) koło Ostrołęki. Wybór tej placówki był podyktowany istniejącym już kotłem na biomasę (znana jest pełna analiza zużycia paliwa) oraz 0 [m] wieżą radiolokacyjną znajdującą się przy ośrodku (oznaczona jako na rys. II.1.). Taka wieża istnieje na obszarze ośrodka MONAR Lipianka, gdyż jest on ulokowany na terenie byłej bazy wojskowej. 1 Rys II.1 Ośrodek MONAR Lipianka, widok satelitarny

4 Całkowity teren ośrodka w Lipiance to około,9 [ha 1 ], wraz z dwoma budynkami mieszkalnymi (oznaczony jako 1 i na rys. II.1.), kotłownią i składem paliwa (oznaczony jako na rys. II.1.) oraz magazynem i boiskami: do piłki nożnej i siatkówki. Teren ośrodka jest otoczony przez pobliskie lasy o łącznej powierzchni 7,6 [km ] (co równe jest 190 krotnej powierzchni Rynku Głównego w Krakowie). Paliwo do kotła (obecnie wytwarzającego zarówno ciepłą wodę jak i ciepło) jest zbierane przez pensjonariuszy ośrodka na podstawie umowy z lokalnym zarządcą lasu. Biomasa pochodzi głównie z oczyszczania lasu- gałęzie, pniaki, bale. Jednakże zbierana biomasa nie zabezpiecza w pełni zapotrzebowania ośrodka na produkcję ciepła w okresie zimowym i na ciepłą wodę użytkową przez cały rok. Wobec powyższego, paliwo musi być zakupywane (w tym kilka ton węgla), co każdego roku jest znacznym obciążeniem dla i tak niskiego budżetu tej placówki. Ideą demonstracyjnego projektu w Lipiance jest zintegrowanie odnawialnych źródeł energii w hybrydowy system komponentów: kotła na biomasę, kolektorów słonecznych oraz małej turbiny wiatrowej na szczycie wieży radiolokacyjnej (patrz rys II..) W przypadku wdrożenia projektu z powodzeniem w Lipiance, podobne systemy będą sukcesywnie instalowane w pozostałych placówkach MONAR. Jednakże ośrodek w Lipiance, daje szczególne możliwości, zwłaszcza z powodu wysokiej wieży, które mogą nie występować w pozostałych miejscach, stąd też system może być ograniczony do typowego, w krajach skandynawskich, -składnikowego combi systemu (kocioł na biomasę i kolektory słoneczne). Rys II. Poglądowy schemat hybrydowego systemu 1 1[ha] = 0,01 [km ]

5 Analiza hybrydowego systemu zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową będzie zależne od dwóch czynników: zużycia wody na osobę oraz liczby pensjonariuszy, korzystających z ciepłej wody każdego dnia. Pierwsza zależna została przyjęta jako dziennie V p = 60 [dm na osobę]. Liczba osób w ośrodku została założona jako n=60 [osób] (naturalną sprawą dla ośrodków tego typu jest duża rotacja uczestników, stąd założona liczba może ulegać wahaniom). Dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę wynosi więc takiej ilości wody będzie wynosiło czyli V,6[ m ]. Ciepło potrzebne do ogrzania J Q 186[ ] 500[ kg] (60 10)[ K] 0,7 [GJ], kg K Q 05[kWh]. W ujęciu miesięcznym zapotrzebowanie na ciepło dla ogrzania wody będzie wynosiło: Q monthly 6,[MWh] Analiza hybrydowego systemu oszacowanie potencjału wiatrowego Dla potrzeb analizy potencjału wiatrowego dla Lipianki niezbędne było wykonanie dokładnych pomiarów wiatru. Analiza ta nie mogła opierać się na danych z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMiGW), pomimo, że najbliższa stacja znajdowała się w Ostrołęce, tylko 15 [km] od Lipianki. Po pierwsze, wszystkie pomiary IMiGW są wykonywane na wysokości 10 [m], natomiast planowana turbina wiatrowa byłaby zainstalowana na wysokości co najmniej 0 [m]. Co więcej, wspomniana stacja jest zlokalizowana w zurbanizowanym terenie miasta Ostrołęki, co wskazuje na dużą klasę szorstkości terenu. Lipianka natomiast, jest usytuowana w dość otwartym terenie. W rezultacie, na podstawie powyższych faktów, istnieje różnica w parametrach wiatru w Ostrołęce i w Lipiance (co zostało pokazane na Rys II.6.) Dlatego aby mieć dobry obraz potencjału wiatrowego w Lipiance, na szczycie wieży radiolokacyjnej został zamontowany anemometr. Pomiary rozpoczęły się w kwietniu 009 roku. Referat analizuje okres od kwietnia do sierpnia 009 roku. W tym okresie zostało wykonanych ponad pomiarów, a każdy z nich był analizowany pod względem kierunku i prędkości wiejącego wiatru. 1 [kwh] =, [J]

6 Dane pokazują, że dominującą prędkością wiatru jest prędkość z zakresu pomiędzy a [m/s] we wszystkich analizowanych miesiącach za wyjątkiem maja. Udział tego zakresu prędkości to od 1 do 0% w poszczególnych miesiącach i 5,1% w ujęciu całego analizowanego okresu. Drugą wartą podkreślenia prędkością jest prędkość między a [m/s] mająca udział w poszczególnych miesiącach od 8 do % i w całym okresie 1,18%.(patrz Rys II.). Na podstawie uzyskanych danych możliwe było wykonanie dopasowania rozkładem Weibulla. Reasumując, warunki wiatrowe w analizowanym okresie pomiarowym (kwiecień sierpień 009) są niewątpliwie niskie. Jak już wspomniano, dominującym zakresem prędkości wiatru jest zakres pomiędzy a [m/s] stanowiący udział 65,6% wszystkich wiatrów wiejących w Lipiance. Powyższe prędkości wiatru są zdecydowanie zbyt małe aby można było generować dostateczną ilość energii elektrycznej. Większość turbin wiatrowych zaczyna produkować prąd przy prędkościach od ok. [m/s]. Kluczowym dla celów projektu było dobranie odpowiedniej turbiny tj. takiej, która w sposób efektywny będzie generowała zadowalające ilości energii elektrycznej przy relatywnie niskich prędkościach wiatru. Została przeprowadzona dokładna analiza ponad 90 małych turbin wiatrowych, z naciskiem na następujące parametry: moc wyjściowa (przebieg krzywej mocy), cena turbiny, współczynnik moc do ceny. W efekcie została wybrana turbina o mocy 10 [kw]. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów prędkości wiatru oraz dzięki znajomości charakterystyki krzywej mocy tej turbiny było możliwe przeprowadzenie procedury całkowania numerycznego i oszacowania energii elektrycznej, którą można by uzyskać w każdym miesiącu. Należy zaznaczyć, że z powodów technicznych pomiary prędkości wiatru bywały przerywane na kilkugodzinne okresy czasu. Tym samym prezentowane wyniki oszacowań w poszczególnych miesiącach są zaniżone o ok. 10%. 5

7 Wind speed distribution in particular months frequency % % 1% 0% 9% 8% 7% 6% 5% % % % 1% 0% 9% 8% 7% 6% 5% % % % 1% 0% 19% 18% 17% 16% 15% 1% 1% 1% 11% 10% 9% 8% 7% 6% 5% % % % 1% 0% "0-1" "1-" "-" "-" "-5" "5-6" "6-7" "7-8" "8-9" "9-10" "10-11" range of wind speed [m/s] April 009 May 009 June 009 July 009 August 009 Rys II. Rozkład prędkości wiatru dla Lipianki w poszczególnych miesiącach 6

8 Analiza hybrydowego systemu zasoby energii słonecznej Obliczenia dla kolektorów słonecznych były oparte na danych ze stacji aktynometrycznej IMiGW w Brwinowie (106 [km] od Lipianki). Pomiary wykonane w stacji Brwinów są trafne dla analizy zasobów na terenie Lipianki, nie tylko ze względu na stosunkowo niedużą odległość (w ujęciu warunków słonecznych) od ośrodka, ale i na fakt dużej dokładności pomiarów. Jednym z istotnych czynników determinujących możliwość wykorzystania energii słonecznej z kolektorów słonecznych są sumy dziennego promieniowania całkowitego. Ten właśnie parametr był mierzony przez okres 9 lat i jest przedstawiony w ujęciu każdego miesiące na wykresie (patrz Rys II.). Hdaily mean [Wh/m ] Solar radiation for station Brwinow (Poland) I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII months Rys II. Sumy dziennego promieniowania słonecznego dla stacji IMiGW Brwinów- słupki; średnia ruchomalinia. Łatwiej oraz stosunkowo taniej jest skoncentrować cały combi system w jednym miejscu, zmieniając niewiele w obecnej strukturze. Dlatego projekt w Lipiance zakłada montaż kolektorów słonecznych na dachu kotłowni, co podyktowane jest wykorzystaniem istniejących zasobników wody podłączonych w instalacji kotła. Analiza hybrydowego systemu zintegrowanie całego układu Ważnym przy projektowaniu systemu jest uwzględnienie możliwości wystąpienia strat. W związku z powyższym przyjęto 15% strat zwłaszcza ze względu na straty cieplne w całym układzie oraz na sprawność wymiennika ciepła. 7

9 Mając na uwadze straty, miesięczne zapotrzebowanie ciepła do systemu ciepłej wody użytkowej zostało podniesione do 7, [MWh]. Po uwzględnieniu oszacowanej energii z turbiny wiatrowej i posiadając dane promieniowania słonecznego możliwe było określenie potrzebnej powierzchni (ilości) kolektorów słonecznych. Na tym etapie projektowania istotne jest ustalenie odpowiedniej powierzchni kolektorów. W scenariuszu zapewnienia zapotrzebowania na energię w analizowanym miesiącu z najmniejszym promieniowaniem słonecznym (kwiecień) przez kolektory oraz turbinę, powierzchnia kolektorów sięgałaby 11 [m ]. W tej opcji cały system byłby więc przewymiarowany. Oznacza to, że w pozostałych analizowanych miesiącach produkcja energii przewyższałaby o ok. 7% faktyczne zapotrzebowanie. Rodziłoby to znaczne marnotrawstwo energii. Co więcej, nie ma żadnych podstaw do tego by twierdzić, że w miesiącach wrzesień marzec (które nie były jeszcze analizowane) energia słoneczna w połączeniu z wiatrową zapewni zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Z uwagi na powyższe, inny scenariusz musi być rozważony. Opierając się na podstawie sum dziennych promieniowania całkowitego, przyjęta została optymalna powierzchnia kolektorów, 76 [m ]. Taka konfiguracja będzie w pełni zapewniała zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową w maju, czerwcu, oraz w lipcu. Ekstrapolacja dla pozostałych miesięcy Jest jasnym, że pomiary potencjału wiatrowego na terenie ośrodka MONAR Lipianka muszą być kontynuowane. Dla dalszej analizy interesujący byłby całoroczny zestaw danych wiatrowych Lipianki. Dokładna analiza danych (IMiGW) z miesięcy: maj 006 grudzień 008 jaką dodatkowo wykonano pokazała, że potencjał wiatrowy dla miasta Ostrołęki jest znacząco większy w okresie zimowym niż w pozostałych miesiącach (patrz Rys II ) Z dużą dozą pewności można stwierdzić, że podobna sytuacja będzie miała miejsce w Lipiance. Co więcej, dokonano porównania warunków wiatrowych w analizowanych miesiącach dla Lipianki i Ostrołęki (patrz Rys II.6.), co potwierdziło, że wysokość oraz szorstkość terenu wpływają na prędkości wiatru, które są wyższe w Lipiance. Dla potrzeb przybliżonej oceny udziału energii wiatru, w hybrydowym systemie w okresie zimowym dla Lipianki wykonano procedurę ekstrapolacji. Brakujące dane dla pozostałych miesięcy (wrzesień marzec) otrzymane zostały przez przeskalowanie danych ze stacji meteorologicznej z Ostrołęki. Współczynnik skali został uzyskany przez porównanie 8

10 analizowanych danych z Lipianki i korespondujących z nimi danych z Ostrołęki, przez dopasowanie zależności w czasie tych dwóch analiz do wielomianu 6 stopnia i wzięcie uśrednionego współczynnika V, V fit Lipianka fit Ostroleka fit fit gdzie i są dopasowanymi dziennymi średnimi prędkościami odpowiednio dla V Lipianka V Ostroleka t Lipianki i Ostrołęki. Otrzymana wartość współczynnika skali wynosi 1,5. Przewidywane prędkości wiatru w Lipiance zostały wyrażone jako V V Lip, month Ostr, month, gdzie V Ostr, month jest uśrednioną prędkością wiatru dla Ostrołęki dla danego miesiąca (na podstawie wspomnianej analizy miesięcy). Następnie oszacowania oczekiwanych uzysków energii dla rozważanej turbiny z okresu nie objętego pomiarami in situ (wrzesień marzec) przebiegało tak samo jak w przypadku danych z okresu pomiarowego, tzn. przy użyciu krzywej mocy wybranej turbiny. Dane wyznaczone w ten sposób są przedstawione w tabeli II.1 wraz z danymi z okresu pomiarowego (pogrubiona czcionka). Można zauważyć, że uzyski energii w zimie są zdecydowanie większe. Oczekiwany roczny uzysk energii jest na poziomie 8, [MWh]. Tabela II.1 Uzysk energii z turbiny wiatrowej, dane oszacowane kursywą, dane mierzone pogrubione V Ostr, month Lip month V, Energy yield [MWh] January,0 6,,6 February,6 5,0 1,1 March,1,77 0,89 April ,6 May ,57 June , July , August , September,09,19 0, October,,1 0,9 November,05,67 0,80 December,77, 0,6 8, MWh 9

11 6 Monthly mean wind speed in Ostroleka May December 008 mean wind speed [m/s] May 006 June 006 July 006 August 006 September 006 October 006 November 006 December 006 January 007 February 007 March 007 April 007 May 007 June 007 July 007 August 007 September 007 October 007 November 007 December 007 January 008 February 008 March 008 April 008 May 008 June 008 July 008 August 008 September 008 October 008 November 008 December 008 month Rys II.5 Potencjał wiatrowy w Ostrołęce w okresie trzech lat 6 Comparison Lipianka - Ostroleka April 009-June mean wind speed [m/s] April May June month Lipianka centre Ostroleka city Rys II.6 Porównanie danych Lipianka Ostrołęka, wraz z zaznaczonym przebiegiem linii trendu 10

12 Combi-system energy production forecast energy [kwh] January February March April May June July August September October November December solar collector wind turbine biomass demands n=60 demands n=0 Rys II.7 Przewidywany udział poszczególnych komponentów hybrydowego systemu. 11

13 Rys II.7. przedstawia udział poszczególnych składników systemu hybrydowego (kolektory słoneczne na podstawie danych IMiGW patrz Rys II., turbina wiatrowa oparte na podstawie pomiarów in situ i ekstrapolacji dla pozostałych miesięcy patrz Tabela II.1 oraz kocioł na biomasę oszacowane na podstawie różnicy zapotrzebowania na ciepło, a uzyskami z kolektorów słonecznych i turbiny wiatrowej) dla poszczególnych miesięcy. III. Wnioski Referat ten dotyczy propozycji innowacyjnego zastosowania hybrydowego systemu bazującego na energetyce odnawialnej. Analizy pokazały, że turbina wiatrowa wraz z kolektorami słonecznymi wypełnia część zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową dając znaczącą oszczędność na zakupie paliwa do kotła (biomasa oraz węgiel). Fakt ten ma ogromne znaczenie dla budżetu ośrodka, gdyż zaoszczędzone pieniądze mogą wypełnić inne ciągle rosnące potrzeby. Co więcej, obsługa combi systemu przez pensjonariuszy placówki dawałaby wyjątkową szansę do szkoleń i podjęcia pracy w sektorze energii odnawialnej po zakończeniu leczenia. Instalacja hybrydowego systemu przynosi również inne, ważne w ujęciu polityki ochrony środowiska, korzyści. Są nimi niewątpliwie redukcja emisji gazów cieplarnianych do atmosfery oraz promocja innowacyjnego, przyjaznego środowisku rozwiązania. Wobec powyższego, takie działania winny być wspierane przez dotacje, ponieważ znaczne korzyści obejmują całe społeczeństwo. Wprowadzenie projektu do ośrodka MONAR z sukcesem pociągnie za sobą rozpowszechnienie idei hybrydowych systemów opartych na energii odnawialnej. Z dużą pewnością można stwierdzić, że Polsce istnieje niemała ilość domków jednorodzinnych (około osób na domostwo), zwłaszcza na terenach wiejskich, gdzie występują podobne, a nawet lepsze warunki wiatrowe niż na terenie Lipianki (Wybrzeże, Suwalszczyzna, Środkowa część Wielkopolski i Mazowsza). Dla takich gospodarstw hybrydowy system proponowany dla ośrodka Lipianki jest atrakcyjną inwestycją dla potrzeb ogrzewania ciepłej wody użytkowej. 1