Wymagania BAT w ujęciu parametru sprawności dla jednostek wytwórczych czy jest się czego obawiać?

Transkrypt

1 Wymagania BAT w ujęciu parametru sprawności dla jednostek wytwórczych czy jest się czego obawiać? Autorzy: dr inż. Piotr Plis, mgr inż. Tomasz Słupik ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej ( Energetyka Cieplna i Zawodowa - nr 5/2014) Dokument BREF [1] zawierający wytyczne do określania wartości referencyjnych dla dużych źródeł spalania w zakresie realizacji Dyrektywy IED [2] zaprezentowany na razie w formie Draftu (czerwiec 2013 r.) i wynikające z niego konkluzje BAT stanowić będą jeden z kamieni milowych w zakresie realizacji polityki ochrony środowiska UE. Dokument ten znacznie zaostrzy szereg wymagań, między innymi w zakresie eksploatacji instalacji spalania, co pociąga za sobą konieczność zastosowania środków niezbędnych do ich wypełnienia. Krajowy sektor energetyczny ze względu na dominującą rolę wykorzystania węgla zostanie w sposób znaczący zmuszony do wykonania szeregu działań, których spełnienie pozwoli na dochowanie nowych wymagań, które to z dużym prawdopodobieństwem będą miały wiążący charakter od 2019 r. Ze względu na fakt, iż dokument ma na razie status Draftu, trudno przewidzieć ostateczny kształt zapisów, jednak analizując użyte w dokumencie sformułowania jednoznaczna ich interpretacja może być trudna. Jednym z tematów, który wymagałby doprecyzowania w końcowej wersji dokumentu jest podejście do szeroko rozumianego tematu efektywności energetycznej i sprawności wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. W ramach niniejszego artykułu skupiono się na skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła. Tematyka dotycząca bloków kondensacyjnych, których nowe przepisy dotkną w podobnym stopniu, została rozwinięta w osobnym artykule [3]. Podejście zaproponowane w konkluzjach BAT W rozdziale VII Akronimy i definicje [1] opisana została terminologia zastosowana w dokumencie, która z krajowego punktu widzenia w kontekście ogólnie przyjętych i stosowanych pojęć może budzić wątpliwości. Sprawność wytwarzania energii elektrycznej (oryg. net electrical efficiency) została tam zdefiniowana jest jako stosunek ilości wytworzonej energii elektrycznej zmierzonej na zaciskach generatora do ilości energii zawartej w paliwie (obliczonej w oparciu o wartość opałową) wprowadzonej i zmierzonej na granicy elektrowni. Wyraźnie więc widać, że net electrical efficiency z definicji oznacza sprawność brutto. Możliwe jest, że zastosowanie pojęcia net electrical efficiency należy odczytywać w kontekście obliczania tej sprawności w odniesieniu do wartości opałowej (netto), a nie ciepła spalania (brutto) paliwa, co zresztą znajduje się w samej definicji. Niemniej jednak użycie pierwszego członu wyrażenia powoduje naturalne skojarzenia ze sprawnością netto. Potwierdzeniem powyższego może być zastosowana w dokumencie definicja ilości ciepła możliwego do odzyskania (oryg. recoverable heat), która w sposób jednoznaczny definiuje je jako różnicę pomiędzy energią dostarczonego paliwa a sumą ilości energii elektrycznej (oryg. net electrical output) i ilości ciepła (oryg. net thermal output). Wielkości wyjściowe (oryg. net outputs) oblicza się jako różnice pomiędzy ilościami energii

2 brutto (oryg. gross), a ilościami energii zużytej w instalacji spalania na potrzeby systemów pomocniczych. Widać więc wyraźnie, że różnica w zastosowanej terminologii w zakresie pojęć net electrical efficiency oraz net electrical output może być zamierzona i nie zawsze musi oznaczać wartości netto. Nie można jednak wykluczyć, że w opisie sprawności wytwarzania (oryg. net electrical efficiency) wkradł się błąd i docelowo będzie to wartość sprawności netto. W takiej sytuacji spełnienie wymagań przez obiekty krajowej energetyki będzie bardzo utrudnione. Tabela 1 (tabela 10.2 zawarta w Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Large Combustion Plants [1]) zawiera propozycje w zakresie sprawności wytwarzania energii elektrycznej i produkcji w skojarzeniu. Wielkości liczbowe wskazują, że niektórym krajowym elektrociepłowniom będzie bardzo trudno sprostać tym wymaganiom. Tabela 1. Wymagane poziomy sprawności wytwarzania energii elektrycznej i procesu skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła wynikające z BAT [1] Nominalna moc cieplna instalacji spalania >1000 MW t, których głównym celem jest produkcja energii elektrycznej <1000 MW t, których głównym celem jest produkcja energii elektrycznej Sprawność netto wytwarzania energii elektrycznej (%) (1)(b) nowe instalacje istniejące instalacje BAT-AEPL (a) Sprawność netto skojarzonego procesu wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, % nowe i istniejące instalacje tryb CHP (1)(c) (2) 33,5 42 (2) (3) 36,5 40 (2) 32,5 40 (2) (3) <1000 MW t, których głównym celem jest produkcja ciepła (1) W podanych zakresach, na uzyskaną sprawność energetyczną może mieć negatywny wpływ (do 4 p.p.) rodzaj stosowanego układu chłodzenia, położenie geograficzne instalacji i zmiany obciążenia. (2) Dolną część zakresu uzyskuje się w przypadku niekorzystnych warunków lokalnych, instalacji opalanych węglem brunatnym niskiej klasy, instalacji pracujących w trybie szczytowym i podszczytowym oraz instalacji starych (przekazanych po raz pierwszy do eksploatacji przed 1985 r.). (3) Osiągalny wzrost sprawności cieplnej zależy od konkretnej instalacji, lecz skokowy wzrost o ponad 3 p.p. uważa się za związany z zastosowaniem BAT dla istniejących instalacji. Poniżej sformułowano dodatkowe informacje dotyczące wielkości zamieszczonych w nagłówku tabeli 1: (a) (b) (c) BAT-AEPL najlepsze dostępne techniki w ujęciu wskaźnika efektywności środowiskowej (wartość średnioroczna odniesiona do wartości opałowej); Net electrical efficiency sprawność netto wytwarzania energii elektrycznej definiowana jako stosunek energii elektrycznej mierzonej na zaciskach generatora do energii zawartej w paliwie wprowadzanym do osłony bilansowej; CHP skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła.

3 SPRAWNOŚĆ OGÓLNA W przypadku elektrociepłowni minimalny stopień wykorzystania paliwa netto (oryg. net total fuel utilisation) określony został na poziomie 75% i dotyczy wartości średniorocznych, podczas gdy średnioroczna wartość sprawności wytwarzania energii brutto w sektorze elektrociepłowni w Polsce w 2013 r. kształtowała się poniżej 75% i osiągnęła wartość 72,3%. Bardziej dokładne dane w zakresie sprawności wytwarzania energii w elektrociepłowniach [4] w ujęciu historycznym przedstawione są na wykresie na rysunku 1, na którym ujęto wartości sprawności uzyskiwane przez krajowe elektrociepłownie w latach Wykres przedstawia dwie grupy elektrociepłowni. Pierwszą z nich stanowi od 10 do 12 obiektów ujętych szczegółowo w opracowaniu [4], o zainstalowanych mocach elektrycznych od 50 do 620 MW el, które oznaczone są na wykresie jako Analizowane EC. Drugą grupę stanowią wszystkie krajowe elektrociepłownie oznaczone na rysunku jako Cały sektor EC. Dane przedstawione na rysunku 1 dotyczące pierwszej grupy należy traktować jako zagregowane w skali rocznej, co oznacza, że wśród obiektów tej grupy mogą znajdować się elektrociepłownie, których średnioroczna wartość sprawności nie przekracza wartości granicznej wynikającej z konkluzji BAT, jak również takie, które tą wartość przekraczają w sposób znaczący. Zobrazowano to na rysunku 2, na którym pokazano osiągnięte w 2013 r. wartości sprawności dla elektrociepłowni ujętych w grupie Analizowane EC. 84% Sprawność elektrociepłowni w Polsce 82% 80% 78% 76% 74% 72% 70% ROK Analizowane EC Cały sektor EC Kryterium Konkluzji BAT Rys. 1. Wartość sprawności elektrociepłowni w Polsce w latach Linia ciągła sprawność netto; linia przerywana sprawność brutto

4 SPRAWNOŚĆ OGÓLNA Sprawność elektrociepłowni w 2013 roku 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 45% 40% NR ELEKTROCIEPŁOWNI Sprawność brutto Sprawność netto Kryterium konkluzji BAT Rys. 2. Sprawność wytwarzania energii w 2013 r. w 10 elektrociepłowniach ujętych opracowaniem [4] Na podstawie powyższych dwóch wykresów można stwierdzić, że wśród obiektów krajowej energetyki znajduje się szereg elektrociepłowni, które nie spełnią kryterium narzuconego przez konkluzje BAT, co oznacza, że w perspektywie 2019 r. konieczne będzie dostosowanie instalacji pod względem zapewnienia wymaganych poziomów sprawności. Niewyjaśniona na etapie Draftu pozostaje jeszcze kwestia samych ciepłowni i podejścia do spełnienia przez nie nowych obowiązków. Skojarzone wytwarzanie techniczne aspekty dotrzymania wymagań Przywołana powyżej definicja minimalnego stopnia wykorzystania paliwa z zasady dotyczy instalacji wyposażonych w turbiny upustowo-przeciwprężne. Wiele krajowych elektrociepłowni zawodowych to układy technologicznie zróżnicowane, w których pracują zarówno turbiny upustowo-przeciwprężne, jak i upustowo-kondensacyjne. O ile dosyć klarowne są zapisy dot. parametrów środowiskowych i granic bilansowych, w jakich wymagania BAT będzie trzeba spełnić, o tyle w przypadku parametru sprawności sprawa nie jest już tak jednoznaczna. Należy się jednak spodziewać, że granica bilansowa obejmować będzie raczej całą elektrociepłownię. Odwołując się do najprostszej definicji skojarzonego procesu wytwarzania, gdzie w liczniku mamy sumę wyprodukowanej energii elektrycznej i ciepła, a w mianowniku strumień energii chemicznej paliwa, nasuwają się następujące spostrzeżenia: Zasadniczy wpływ na sprawność obiegu stopień wykorzystania paliwa ma sprawność energetyczna kotła, sprawność wewnętrzna turbiny i wielkość potrzeb własnych.

5 Utrzymanie wysokiej sprawności kotła jest sprawą bardzo istotną dla sprawności obiegu, gdyż spadek sprawności energetycznej kotła przekłada się wprost na obniżenie sprawności obiegu. Pogorszenie sprawności wewnętrznej turbiny implikuje zmianę proporcji w produkcji energii elektrycznej i ciepła w procesie skojarzonym. Z punktu widzenia sprawności obiegu, pogorszenie sprawności wewnętrznej turbiny przekłada się na obniżenie ilości wyprodukowanej energii elektrycznej i wzrost ilości produkowanego ciepła. Biorąc pod uwagę uwarunkowania rynkowe zasadne jest, aby utrzymywać dobry poziom sprawności wewnętrznej turbiny, gdyż poprawia to bilans produkcyjny i pozwala na zwiększenie produkcji energii elektrycznej. Prowadzi to również do zwiększenia średniego obciążenia jednostek wytwórczych pracujących na system ciepłowniczy i tym samym podniesienia średniorocznego wskaźnika stopnia wykorzystania paliwa. Dochowanie parametrów znamionowych na dolocie do turbiny, w tym głównie temperatury pary świeżej i wtórnej (jeżeli układ posiada przegrzewacz wtórny), pozwala na uniknięcie dodatkowych strat w obiegu wynikających z pogorszenia jednostkowego zużycia ciepła, co widoczne jest zwłaszcza na turbinach upustowo-kondensacyjnych [3]. W przypadku turbin upustowo-przeciwprężnych sytuacja przedstawia się podobnie, jak opisano to w poprzednim punkcie. Wielkość potrzeb własnych ma duże znaczenie dla ekonomiki produkcji, a ich wzrost przekłada się na obniżenie sprawności netto obiegu (w ujęciu klasycznej definicji sprawności netto). Ostatnie pięć lat przyniosło poprawę w zakresie zużycia energii na potrzeby własne w sektorze skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Wskaźnik zużycia potrzeb własnych zmniejszył się w tym okresie od 5,72% do 4,40%, przy czym w okresie ostatnich czterech lat wskaźnik ten oscylował wokół stałych wartości. Zaobserwowana w tym obszarze poprawa spowodowana była tym, iż sporo układów potrzeb własnych poddanych zostało modernizacji, w wyniku których jednostkowe zużycie energii w tych procesach uległo obniżeniu. Niestety w następnych latach także za sprawą przedmiotowych wymagań trudno spodziewać się utrzymania tego trendu. Bieżący monitoring pracy jednostek wytwórczych konieczność w nowych realiach prawnych Wejście w życie nowych przepisów w sposób naturalny wymusi posiadanie systemów optymalizacji pracy elektrociepłowni. Układy tego typu zwłaszcza w elektrociepłowniach kolektorowych stanowią bardzo złożone zagadnienie optymalizacyjne. W przypadku najbardziej prawdopodobnym, tzn. gdy osłona bilansowa dla parametrów sprawnościowych wynikających z BAT będzie obejmować całą elektrociepłownię, jedną z podstawowych funkcji optymalizacyjnych stanie się maksymalizacja sprawności dla całej elektrociepłowni w kontekście np. optymalnego rozdziału obciążeń. Stopniowo standardem stanie się również bieżący monitoring potrzeb własnych, a zwłaszcza najbardziej energochłonnych urządzeń takich jak pompy (np. wody zasilającej, wody sieciowej, kondensatu), wentylatory czy sprężarki. Nowe realia prawne wymuszą także bardziej rozbudowane niż dotychczas potrzeby raportowania, co bez wątpienia będzie musiało być jedną z funkcjonalności systemów informatycznych służących optymalizacji procesów.

6 Podsumowanie Wielkość rynku dla ciepła systemowego, która silnie oddziałuje na ekonomikę produkcji jednostek wytwórczych pracujących w skojarzeniu będzie miała również duże znaczenie dla dotrzymania nowych wymagań prawnych. Jak pokazano powyżej sprawa jest poważna, a część elektrociepłowni może mieć duży problem z dotrzymaniem nowych wymagań. Powagi sytuacji dodaje fakt, że od wspomnianego powyżej 2019 r. spełnienie wymagań zawartych w końcowej wersji BREF i Konkluzji BAT będzie jednym z podstawowych elementów umożliwiających wydanie pozwolenia zintegrowanego. Sprawa staje się jeszcze ciekawsza w kontekście planowanej do wprowadzenia pewnej uznaniowości organów wydających ww. pozwolenia zintegrowane w obszarze określania dopuszczalnych wielkości emisji czy określania dolnego progu zakresu sprawności wytwarzania właściwego dla danego obiektu. Wprowadzenie w życie tej propozycji może skutkować tym, że pomimo zatwierdzenia zakresu wartości sprawności właściwych dla danego rodzaju obiektu, dolna granica może być ustalona wyżej na drodze administracyjnej. Tak więc ujmując powyższe i wracając do pytania zadanego w tytule wydaje się, że jest się czego obawiać. Literatura: [1] Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Large Combustion Plants, Draft 2, European Commission, June [2] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE z dnia 24 listopada 2010 r. w sprawie emisji przemysłowych (zintegrowane zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola), Dz.Urz.UE L 334/17. [3] Słupik T.: BAT wymagania w zakresie efektywności wytwarzania dla jednostek wytwórczych w kontekście dalszej eksploatacji, Energetyka 2014, nr 7. [4] Analiza kształtowania się wskaźników zużycia energii chemicznej paliwa w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych w 2013 r., opracowanie ENERGOPOMIAR Sp. z o.o.