Wykorzystanie ciepła sieciowego do produkcji chłodu w warszawskim systemie ciepłowniczym

Transkrypt

1 Wykorzystanie ciepła sieciowego do produkcji chłodu w warszawskim systemie ciepłowniczym W ramach przyjętego do realizacji VI Programu Ramowego Unii Europejskiej związanego z promowaniem rozwoju technologii poli-generacyjnych w gospodarowaniu energią, Zespół Elektrociepłowni Warszawskich S.A. we współpracy z Narodową Agencją Poszanowania Energii zakładał realizację pilotażowego systemu produkcji energii chłodniczej dla potrzeb klimatyzacji modernizowanego budynku biurowego EC Żerań w Warszawie. Podstawowym celem projektu jest wykorzystanie energii odpadowej z procesów produkcji energii elektrycznej dla produkcji trzeciego obok energii elektrycznej i ciepła medium energetycznego energii chłodniczej. Rys. 1. Budynek biurowy EC Żerań w Warszawie Podstawowe informacje o obiekcie Obiekt biurowy EC Żerań, pokazany na rysunku 1 położony jest w Warszawie przy ul. Modlińskiej. Został zbudowany w 1950 roku i od tego czasu przechodził kilka remontów generalnych. W roku 2004 przygotowany został projekt całkowitej modernizacji obiektu obejmującej: elementy architektury, architektury wnętrz, konstrukcji oraz instalacji technicznego wyposażenia budynku, w tym klimatyzacji oraz wentylacji mechanicznej z chłodzeniem. Opis przyjętego rozwiązania Wytwornica wody lodowej Dla pokrycia potrzeb na energię chłodniczą projektowanego systemu klimatyzacji budynku

2 biurowego EC Żerań zastosowana zostanie jednostopniowa absorpcyjna (LiBr) wytwornica wody lodowej (rys. 2) zasilana parą wodną niskoprężną. Schemat przepływowy wytwornicy przedstawiono na rysunku 3. Analiza ekonomiczna Dla porównania proponowanego absorpcyjnego układu wytwarzania energii chłodniczej z tradycyjnym układem sprężarkowym dokonano analizy ekonomicznej wykorzystującej metodę planowania po najniższych kosztach, (Least Cost Planning), opartą na porównaniu kosztów całkowitych eksploatacji układów chłodniczych, jako sumy kosztów stałych i kosztów zmiennych. Obliczenia przeprowadzono w dwóch etapach obejmujących: Wyznaczenie przewidywanych kosztów inwestycyjnych dla każdego z analizowanych wariantów, Wyznaczenie kosztów całkowitych eksploatacji absorpcyjnych układów chłodniczych dla wybranych wariantów. Rys. 2. Absorpcyjna wytwornica wody lodowej serii BROAD przeznaczona do zasilana energią cieplną z miejskiej sieci ciepłowniczej Określenie kosztów inwestycyjnych W tabeli1 zestawiono przewidywane koszty inwestycyjne dla dwóch porównywanych wariantów. Dla wariantu referencyjnego koszty inwestycyjne wyznaczono w oparciu o kosztorysowaną wartość inwestycji opracowanie kosztorysowe do projektu modernizacji budynku biurowego EC Żerań dotyczące centrali wody lodowej wyposażonej w sprężarkową wytwornicę wody lodowej. Tabela 1. Przewidywane koszty inwestycyjne dla analizowanych wariantów [tys. zł]

3 Rys. 3. Schemat przepływowy absorpcyjnej wytwornicy wody lodowej Analiza danych zawartych w tabeli 1 pozwala stwierdzić, iż wariant absorpcyjny (AS) jest ponad 25% droższy od wariantu referencyjnego (SWWL). Początkowe obciążenie inwestycji związane z realizacją wariantu absorpcyjnego może być jednak obniżone przy dostępie do zewnętrznych dotacji na przykład grantu EU. Przy przyjęciu dotacji na poziomie 30% wartości początkowej inwestycji łączne obciążenie Inwestora kosztami realizacji każdego z wariantów absorpcyjnych wyniesie 721 tys. zł, będzie, więc to obciążenie niższe od wariantu referencyjnego. Roczne koszty całkowite eksploatacji układu W przeprowadzonej analizie ekonomicznej przyjęto następujące dane: Ilość godzin wykorzystania maksymalnej mocy chłodniczej w roku 888 h/a, Roczna produkcja energii chłodniczej kwh/a, Współczynnik COP absorpcyjnej wytwornicy wody lodowej 0,64, Współczynnik COP dla sprężarkowej wytwornicy wody lodowej 2,83, Cena energii elektrycznej 137,00 zł/mwh -1 (netto), Cena pary 1,0 MPa 18,23 zł/gj (netto), Cena wody surowej 0,18 zł/m 3 (netto), Czas amortyzacji agregatów chłodniczych: absorpcyjnych 20 lat, sprężarkowych 10 lat, Inwestycja realizowana całkowicie ze środków własnych inwestora (brak obciążenia kosztów stałych kosztami obsługi kredytu). Tabela 2. Roczne koszty mediów i odczynników dla każdego z wariantów analizy

4 Rys. 4. Roczne koszty całkowite eksploatacji systemu dla każdego z wariantów Uzyskane w trakcie analizy ekonomicznej wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 2 oraz na wykresie przedstawionym na rysunku 4. Analiza wyników obliczeń wskazuje, iż korzystniejszym rozwiązaniem w aspekcie kosztów całkowitych eksploatacji systemu produkcji energii chłodniczej dla budynku biurowego EC Żerań jest wariant referencyjny sprężarkowa wytwornica wody lodowej współpracująca z zamkniętym obiegiem chłodzenia (suche chłodnie powietrza). Na uwagę jednak zasługuje fakt, iż różnica kosztów całkowitych dla wariantu referencyjnego i wariantu absorpcyjnego jest niewielka około 1%. Pomimo znacznie wyższych kosztów eksploatacyjnych w stosunku do wariantu referencyjnego, niższe koszty stałe obsługi urządzenia absorpcyjnego powodują, iż roczne koszty całkowite mieszczą się w granicach 161,6 tys. zł. Proporcja kosztów wariantu referencyjnego (SWWL) i wariantu absorpcyjnego (AS) może ulec zmianie, gdy uwzględni się wyższy koszt zakupu energii elektrycznej. W przypadku przyjęcia ceny rynkowej energii elektrycznej ~ 0,32 zł/kwh (netto), co jest uzasadnione przy traktowaniu energii chłodniczej, jako produktu komercyjnego, korzystniejszym wariantem staje się wariant absorpcyjny. Roczne koszty całkowite dla obu wariantów wynoszą w tym przypadku: Dla wariantu absorpcyjnego (AS) 172,2 tys. zł/a, Dla wariantu referencyjnego (SWWL) 209,0 tys. zł/a. Na podstawie powyższych danych określono cenę jednostkową energii chłodniczej dla każdego z wariantów przy dwóch przyjętych zakresach cen energii elektrycznej. Ceny te zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Roczne koszty mediów i odczynników dla każdego z wariantów analizy

5 Wnioski końcowe Przeprowadzona analiza techniczno-ekonomiczna zastosowania absorpcyjnej wytwornicy wody lodowej dla klimatyzacji budynku biurowego EC Żerań w Warszawie pozwala na sformułowanie następujących wniosków końcowych: Istnieją techniczne możliwości zastosowania jednostop-niowego absorpcyjnego układu chłodniczego w budynku biurowym EC Żerań, Wariant absorpcyjny (AS) jest nieznacznie droższy w odniesieniu do rocznych kosztów całkowitych eksploatacji układu chłodniczego w stosunku do wariantu referencyjnego (SWWL) różnica nie przekracza 2%, Znaczącym składnikiem kosztów eksploatacji absorpcyjnej wytwornicy wody lodowej są koszty zakupu pary wodnej dostarczanej do warnika; koszty te przy traktowaniu pary wodnej w lecie, jako medium odpadowego z produkcji energii elektrycznej mogą być obniżone, poprawiając tym samym wyniki analizy ekonomicznej dla tego wariantu, Przyjęcie rynkowej ceny energii elektrycznej zmienia strukturę kosztów dla analizowanych wariantów zdecydowanie korzystniejszym staje się wariant absorpcyjny. Realizacja pilotażowego układu absorpcyjnego w EC Żerań, w ramach udziału w VI Ramowym Projekcie Unii Europejskiej, pomimo uzyskania dofinansowania w wysokości 150 tys. EUR nie doszła do skutku ze względu na zaawansowanie realizacji projektu modernizacji budynku biurowego EC Żerań, które nie pozwoliło na zmianę systemu klimatyzacji ze sprężarkowego na absorpcyjny. Dynamiczne zmiany na rynku energii Energia elektryczna Od wielu lat mamy do czynienia ze wzrostem cen energii elektrycznej w Polsce. W interesującej nas grupie taryfowej G11, w której pracują indywidualne systemy klimatyzacji sprężarkowej zanotowaliśmy siedmiokrotny wzrost cen w okresie 17-stu lat. Aktualne ceny w 2008 roku sięgają już, 380zł/MWh. Rys. 5. Dynamika wzrostu cen energii elektrycznej dla odbiorców indywidualnych systemów klimatyzacji sprężarkowej

6 Perspektywy też nie są najlepsze prognozy na rynku terminowym poee przepowiadają dalszy gwałtowny wzrost cen u wytwórców spowodowany głównie wzrostem cen węgla. Prognoza wykonania w 2007 roku jak na razie potwierdza się, gdyż aktualne ceny u wytwórców sięgają w 2008 roku 170zł/MWh Vattenfall Heat Poland SA, jedyny lokalny dostawca energii elektrycznej dla Warszawy, jest w stanie latem dostarczyć do warszawskiego systemu energetycznego 130MW, a zimą 700MW. Przy letnim zapotrzebowaniu na energie elektryczną w Warszawie 1200MW i zimowym 1450MW powoduje to znaczny deficyt lokalnej mocy i konieczność korzystania z zewnętrznych źródeł zasilania. W związku z zawodnością zewnętrznego zasilania w ostatnich dwu latach w Warszawie odnotowano dwie poważne awarie systemu elektroenergetycznego. Obie awarie miały miejsce latem, kiedy zdolności wytwórcze VHP SA, ale również całego systemu energetycznego są mniejsze. Nie bez znaczenia jest tu dynamiczny rozwój klimatyzacji opartej na urządzeniach sprężarkowych zużywających duże ilości energii elektrycznej W ostatnim okresie mamy do czynienia z dynamicznym wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce, a szczególnie w Warszawie. Przewiduje się, że do r ku 2015 zapotrzebowanie na energię elektryczną w Polsce wzrośnie o 12,9%, a w Warszawie aż o 23,0%. Przy tak dynamicznym wzroście zapotrzebowania na energie elektryczną przy jednocześnie niewielkich możliwościach rozwoju systemu energetycznego możemy się spodziewać w najbliższej przyszłości wystąpienia deficytu mocy w systemie elektroenergetycznym. Prognozy nie napawają optymizmem, przewiduje się, że deficyt mocy w systemie elektroenergetycznym wystąpi w lecie w 2013 roku a zima w Rys. 7. Stan obecny i prognoza dostaw mocy przez VHP SA i rzeczywiste zapotrzebowanie na moc warszawskiego systemu elektroenergetycznego Rys. 6. Zmienność cen energii elektrycznej na rynku poee

7 Rys. 8. Dynamika wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce i w Warszawie Ciepło Rys. 9. Prognoza wystąpienia deficytu mocy w polskim systemie elektroenergetycznym zimą [TW]

8 Rys. 10. Prognoza wystąpienia deficytu mocy w polskim systemie elektroenergetycznym latem [TW] Ceny ciepła w odróżnieniu od cen energii elektrycznej i gazu wykazują dużą stabilność, a w Warszawie nawet tendencję spadkową (rys. 11). Ostatnia 8% podwyżka cen gazu powoduje, że zastosowanie do napędu absorpcyjnych wytwornic chłodu gazu staje się coraz mniej atrakcyjne. Zapotrzebowanie na moc i energię cieplną w warszawskim systemie systematycznie maleje (rys. 12), podobnie jak w innych systemach ciepłowniczych. podobnie dzieje się w pozostałych systemach energetycznych w Polsce. Dodatkowo większość systemów ciepłowniczych jest przewymiarowana. Szczególnie jest to widoczne latem przy znacznie zmniejszonym, i zmiennym w ciągu doby, zapotrzebowaniu na ciepło. Wszystkie wyżej wymienione czynniki i uwarunkowania jak również postęp technologii absorpcyjnych powodują, że zastosowanie do produkcji chłodu urządzeń absorpcyjnych zasilanych ciepłem z sieci ciepłowniczych staje się coraz bardziej realne i opłacalne. Plany VHP SA w zakresie wdrożenia chłodu absorpcyjnego w warszawskiej sieci ciepłowniczej Systemy lokalne a) System chłodzenia rozdzielni wysokiego i średniego napięcia w EC Siekierki. Aktualnie rozdzielnie w EC Siekierki chłodzone są agregatami sprężarkowymi pracującymi na amoniaku. Ze względu na ich wyeksploatowanie i konieczność zaniechania użytkowania urządzeń pracujących na amoniaku zaplanowano ich wymianę. W ich miejsce planuje się zainstalowanie dwu, dwustopniowych agregatów absorpcyjnych o mocy chłodniczej po 700kW każda zasilanych parą, oraz jednego agregatu absorpcyjnego o mocy 700kW zasilanego wodą przystosowanego do pracy na parametrach 75/65C. Wodny agregat zostanie odpowiednio opomia-rowany i poddany badaniom na parametrach, na jakich pracuje warszawska siec ciepłownicza latem. Wyniki badań posłużą realizacji projektu Chłód absorpcyjny dla Warszawy b) Warszawski Park Technologiczny. Wspólnie ze SPEC S.A., VHP S.A rozpatruje możliwości dostawy chłodu dla Warszawskiego Parku Technologicznego. Rozpatrywane jest kilku wariantów dostawy chłodu na potrzeby Warszawskiego

9 Parku Technologicznego w zależności od rozwoju projektu. W każdym jednak przypadku jest rozpatrywany wariant z produkcją chłodu w urządzeniach absorpcyjnych zasilanych z lokalnej sieci o podwyższonych parametrach latem. Rys. 11. Ceny jednostkowe energii cieplnej dla różnych systemów jej dostaw. Rys. 12. Charakterystyka zmian wielkości sprzedaży mocy zamówionej i energii cieplnej dostarczanej do sieci ciepłowniczej. Chłód absorpcyjny dla Warszawy W celu zbadania możliwości wprowadzenia w warszawskim systemie ciepłowniczym produkcji chłodu na bazie chłodziarek absorpcyjnych zasilanych z m.s.c. VHP SA powołała Zespół Projektowy. Działania zespołu zostały podzielone na cztery grupy tematyczne: Obniżenie temperatury zasilania urządzeń absorpcyjnych: - monitorowanie rozwoju technologii absorpcyjnych - testowanie istniejących urządzeń przy zasilaniu 70 C Podwyższenie temperatury pracy sieci latem: - analiza rynku chłodu - określenie strat wynikłych z podwyższenia temperatury pracy sieci - określenie strat wynikłych ze zmniejszenie współczynnika

10 skojarzenia - określenie punktu krytycznego mocy chłodniczej pokrywającej straty wynikłe z podniesienia temperatury pracy sieci i zmniejszenie współczynnika skojarzenia Analizy: - prawne, koncesyjne, taryfowe, ekonomiczne Marketing i współpraca: - Miasto, SPEC S.A. i VHP S.A. w ramach zespołu trzeciego. Końcowym efektem prac Zespołu Projektowego będzie wykonanie projektu referencyjnego w oparciu o doświadczenia z Siekierek Bariery dla wprowadzenia chłodu absorpcyjnego w m.s.c. Techniczne - zbyt niska temperatura sieci - zbyt duże rozmiary urządzeń absorpcyjnych - niskie schłodzenie - zwiększone straty sieci - zmniejszenie współczynnika skojarzenia Ekonomiczne - wyższa cena chłodu absorpcyjnego - wyższa cena urządzeń absorpcyjnych Prawne - brak uregulowań - brak wsparcia prawnego Podsumowanie Postęp technologii absorpcyjnych oraz ceny nośników energetycznych spowodowały, że urządzenia absorpcyjne mogą konkurować ze sprężarkowymi dla wysokich parametrów zasilania (n. p. w źródle lub w lokalnych systemach) Parametry wody zasilającej absorpcyjne wytwornice chłodu 75/65 są zbliżone do letnich parametrów pracy sieci. Relacja cen chłodu absorpcyjnego wytwarzanego na niskich parametrach i sprężarkowego znacznie się poprawiła na korzyść absorpcji Przeciążenie systemów elektroenergetycznych powoduje, że przy uwzględnieniu unikniętych kosztów inwestycyjnych rozbudowy tego systemu chłód absorpcyjny zaczyna być atrakcyjnym produktem Możliwości rozwoju systemu elektroenergetycznego nie nadążają za wzrastającymi potrzebami Istnieje możliwość dofinansowania inwestycji ze środków UE ze względów ekologicznych

11 Literatura 1. Analiza techniczno ekonomiczna zastosowania absorpcyjnej wytwornicy wody lodowej dla zasilania instalacji klimatyzacji w budynku biurowym EC Żerań, dr hab. Inż. Tomasz M. Mróz, dr inż. Andrzej Dyjas, Dr inż. Tomasz Pawłowski 2. Materiały konferencyjne Summerheat Bruksela wrzesień Materiały własne VHP SA Autor: mgr inż. Zbigniew WÓJCIK - Główny Analityk Vattenfall Heat Poland SA Źródło: Energia i budynek KONTAKT Energia i Budynek