Modelowanie profilu energetycznego dla kogeneracji

Transkrypt

1 OPERATOR Doradztwo Techniczno-Finansowe NIP , REGON Olsztyn ul. Morwowa 24 Tel biuro@dotacje-ue.com.pl Modelowanie profilu energetycznego dla kogeneracji Opracował: mgr inż. Wiesław Olasek Olsztyn 2018 rok Doradztwo techniczne i inwestycyjne. Audyty efektywności energetycznej. Procedury zamówień publicznych. Studium wykonalności i obsługa inwestycji finansowanych ze środków unijnych. Członek Zrzeszenia Audytorów Energetycznych. Partner Fundacji "Instytut Partnerstwa Publiczno-Prywatnego"

2 Copyright by Wiesław Olasek, Operator Doradztwo Techniczno-Finansowe Olsztyn

3 Modelowanie profilu energetycznego dla kogeneracji Zwykle agregaty kogeneracyjne dobierane są do istniejących obiektów na podstawie godzinowego wykresu uporządkowanego sporządzonego z 15 minutowych pomiarów zużycia prądu. Coraz częściej agregat kogeneracyjny jest jednym z elementów modernizacji systemu energetycznego. Wymiana starych opraw oświetleniowych na oprawy typu LED może powodować zmniejszenie zużycia prądu od kilku do kilkunastu procent (w odniesieniu do całkowitego zużycia prądu przez obiekt). Z kolei zmiany klimatyczne zmuszają wielu inwestorów do instalowania klimatyzacji z elektrycznymi wytwornicami wody lodowej (chillerami). O ile zmiana opraw oświetleniowych wpływa na proporcjonalne obniżenie zużycia prądu w całym roku to chillery zwiększają znacznie obciążenie w miesiącach wiosenno-letnich. W takich przypadkach moc elektryczna zainstalowana chillerów bywa porównywalna z dotychczasową mocą poboru prądu całego obiektu. Jeśli dodatkowo planowana jest rozbudowa obiektu i jego modernizacja to wszystkie elementy musimy uwzględnić przy doborze CHP. Powstaje jednak problem, jak zbudować profil energetyczny obiektu, który jeszcze nie istnieje. Wiele możemy się dowiedzieć z dokumentacji budowlanej, jeśli na tym etapie jest już opracowana i mamy do niej dostęp. Dobrze jak projektant określi współczynniki jednoczesności. Dla przykładu współczynniki jednoczesności dla biur i szpitali są następujące: Rodzaj odbiorów Budynki biurowe Szpitale Oświetlenie 0,85 0,95 0,7 0,9 Obwody gniazd wtyczkowych 0,1 0,15 0,1 0,2 Klimatyzacja / wentylacja 1 0,9 1 Windy / schody ruchome 0,7 1 0,5 1 Obwody zasilania komputerów 0,8 1 0,7 0,9 Sale operacyjne, układy podtrzymania życia - 1 W niniejszym artykule wykorzystam dane z rozbudowywanego i modernizowanego szpitala, w którym inwestor zamierza zainstalować agregat kogeneracyjny oraz dużej mocy elektryczne wytwornice wody lodowej dla potrzeb klimatyzacji Rys. 1 Pomiary 15 min zużycia prądu w poszczególnych miesiącach roku bazowego 1

4 Na podstawie pomiarów 15 minutowych powstał wykres uporządkowany dla roku bazowego Rys. 2 Wykres uporządkowany zużycia prądu w roku bazowym Z przeprowadzonej analizy zapotrzebowania na chłód w lokalnych warunkach klimatycznych przyjęto, że chillery będą pracowały w okresie od kwietnia do września włącznie. Określone zostały godziny pracy chillerów w ciągu doby oraz współczynniki jednoczesności pracy klimakonwektorów. Modelowanie profilu energetycznego sprowadza się zatem do dodania do zużycia prądu w poszczególnych godzinach roku bazowego przewidywanego dodatkowego obciążenia z tytułu pracy chillerów. Jeśli modernizacja systemu energetycznego przewiduje wymianę starych opraw oświetleniowych na oprawy LED to przy modelowaniu profilu energetycznego należy uwzględnić odpowiednie obniżenie zużycia prądu Rys. 3 Przewidywane 15 minutowe zużycie prądu po modelowaniu profilu Z przeprowadzonej analizy i modelowania profilu energetycznego widać, że w okresie letnim następuje prawie podwojenie zużycia prądu. Na kolejnym wykresie pokazane zostały dwa profile energetyczne: pierwotny roku bazowego (czerwony) oraz modelowany uwzględniający pracę chillerów i zastosowanie opraw oświetleniowych LED (niebieski). 2

5 Profil bazowy Profil modelowany Rys. 4 Profil energetyczny bazowy i modelowany Już na tym etapie analizy można wyciągnąć przynajmniej dwa wnioski: 1. O ile dla roku bazowego przyjęcie stałej mocy umownej może nie stanowić problemu, to już przyjęcie stałej mocy umownej (dla całego roku) wynikającej z obciążenia maksymalnego w okresie letnim profilu modelowanego jest poważnym błędem; 2. Jeśli dla profilu energetycznego roku bazowego został dobrany agregat kogeneracyjny o mocy optymalnej 263 kw, to wcale nie znaczy, że zwiększenie obciążeń o 80-90% na potrzeby klimatyzacji jest równoznaczne z tym, że optymalna dla modelowanego profilu będzie moc elektryczna agregatu kogeneracyjnego zwiększona np. o 80%, czyli do Zanim przejdziemy do optymalizacji mocy elektrycznej CHP warto odpowiedzieć na pytanie: jak zmieniał się w szpitalu profil energetyczny w kolejnych latach. Otóż, na poniższym wykresie pokazane zostały profile z roku 2015 oraz Widać, że nie nastąpiła radykalna zmiana w funkcjonowaniu szpitala oraz nie było gwałtownych zmian klimatycznych wpływających na zużycie prądu - profile energetyczne są prawie identyczne Rys. 5 Profile energetyczne 2015 i 2017 Profil 2017 Profil

6 Rys. 6 Optymalna moc elektryczna CHP dla profilu bazowego 263 kw Moc elektryczną CHP uznajemy za optymalną dla maksymalnej ilości energii elektrycznej wykorzystanej na potrzeby własne (maksymalna powierzchnia pod krzywą profilu energetycznego). Oczywiście wprowadzone są dwa ograniczenia pracy CHP: Maksymalny czas pracy CHP w ciągu roku wynoszący godzin (510 godzin to średnioroczne prace serwisowe); CHP pracuje jeśli chwilowe zapotrzebowanie na prąd jest nie mniejsze niż dopuszczalna minimalna moc pracy CHP (określona przez producenta silnika). Gdyby zrezygnować z pierwszego ograniczenia i przyjąć dopuszczalny czas pracy godzin w roku, to ze względu na minimalną moc CHP należałoby przyjąć optymalną moc elektryczną CHP jako 258 kw. Czyli więcej energii zyskujemy, w naszym konkretnym przypadku) na małych obciążeniach niż na dużych. Wielokrotnie będę podkreślał, że wszystkie wyniki analiz opisywane w moich artykułach odnoszą się do konkretnych przypadków. Dla innych profili (innych obiektów) wyniki mogą być zupełnie inne Rys. 7 Optymalna moc elektryczna CHP dla profilu modelowanego 264 kw 4

7 Z ostatnich dwóch wykresów widać, że zwiększenie (podwojenie) chwilowej mocy elektrycznej pobieranej przez szpital w okresie letnim nie spowodowało zwiększenia optymalnej mocy elektrycznej agregatu kogeneracyjnego. Zwiększanie elektrycznej mocy nominalnej CHP powoduje równocześnie podwyższanie minimalnej dopuszczalnej mocy pracy CHP, a tym samym agregat nie będzie pracował przy mniejszych obciążeniach, których jest znacznie więcej w ciągu roku. Rzeczywistą pracę CHP oraz wielkość prądu kupowanego z sieci najlepiej obrazuje obciążenie 15 minutowe w wybranym miesiącu CHP1 zakup A. Obciążenie w lipcu roku bazowego CHP1 zakup B. Obciążenie w lipcu dla profilu modelowanego Rys. 8 Praca CHP w lipcu na podstawie pomiarów 15 minutowych W obu przypadkach następuje wyłączenie CHP dla obciążeń mniejszych niż dopuszczalne minimalne obciążenie CHP. Przy profilu energetycznym modelowanym CHP, przez dłuższy czas pracuje z mocą nominalną. Wyraźnie zwiększa się ilość prądu kupowanego z sieci dla profilu modelowanego. 5

8 Nawiązując do analiz pokazanych w poprzednich artykułach możemy wykazać, że ilość prądu wykorzystanego na potrzeby własne jest optymalna, gdyż agregat o mocy większej lub mniejszej o 5% od mocy optymalnej pokrywa mniejsze zapotrzebowanie na prąd. Ilość wytworzonego prądu w CHP ,6 MWh 1659,6 MWh 1641,2 MWh Moc elektryczna CHP1[kW] Rys. 9 Energia elektryczna zużyta przez CHP o różnej mocy Optymalny agregat kogeneracyjny o mocy elektrycznej 264 kw zapewnia pokrycie 78,6% zapotrzebowania na prąd. W przypadku profilu energetycznego znacznie bardziej zróżnicowanego pod względem obciążeń (z większym przełamaniem krzywej) może się okazać, że będą dwie wartości optymalnej mocy CHP dla różnych zakresów obciążenia Rys. 10 Przykładowy profil energetyczny z CHP optymalnym dla dużych obciążeń Tak dobrany agregat kogeneracyjny będzie pracował poniżej mth w ciągu roku (trzeba uwzględnić prace serwisowe) i pokryje jedynie ok. 50% zapotrzebowania na prąd. Pozostaje jeszcze ok godzin poboru prądu, których nie zabezpiecza kogeneracja. 6

9 Rys. 11 Przykładowy profil energetyczny z CHP optymalnym dla małych obciążeń W drugim przypadku CHP o znacznie mniejszej mocy pracowałby ok mth w ciągu roku i zapewnił pokrycie ok. 65% zapotrzebowania na prąd. Dla takiego profilu energetycznego warto rozważyć zastosowanie dwóch agregatów kogeneracyjnych Rys. 12 Praca dwóch agregatów kogeneracyjnych Dzięki zastosowaniu dwóch agregatów kogeneracyjnych pracujących w powyższym układzie uzyskujemy pokrycie ok 95% zapotrzebowania na prąd. Można by zadać pytanie: jaki jest związek powyższego przykładu z modelowaniem profilu energetycznego. Otóż, w wyniku modelowania możemy w sposób drastyczny zmienić układ istniejącego profilu energetycznego. To co wydawało się optymalne dla profilu bazowego może nie spełniać potrzeb obiektu po modernizacji. Można dyskutować o optymalizacji dwóch agregatów, gdyż możliwych jest klika wariantów, np. ten przedstawiony poniżej. W wariancie tym mamy pokrycie 93,3% zapotrzebowania na prąd, czyli mniej niż w wariancie pierwszym. 7

10 Rys. 13 Praca dwóch agregatów kogeneracyjnych, wariant drugi Wnioski końcowe i przypomnienia. Ze względu na błędy z jakimi spotykam się na co dzień, niektóre z poniższych punktów będę powtarzał w kolejnych artykułach. 1. Podstawą doboru agregatu kogeneracyjnego są 15 minutowe pomiary zużycia prądu za cały rok bazowy (nie musi to być rok kalendarzowy, ale kolejne 365 dni). 2. Na podstawie pomiarów 15 minutowego zużycia prądu określa się obciążenie godzinowe, a co ważniejsze, pomiary te umożliwiają wykonanie optymalizacji mocy umownej. 3. Z obliczonego godzinowego zużycia prądu w roku bazowym sporządza się wykres uporządkowany obciążenia (profil energetyczny). 4. Wykres uporządkowany pozwala na określenie niezbędnej ilości agregatów kogeneracyjnych oraz optymalizację ich mocy elektrycznych. 5. Dobrany na podstawie wykresu uporządkowanego optymalny agregat kogeneracyjny nie pozwala na określenie opłacalności finansowej instalacji CHP. Na podstawie tak dobranego agregatu kogeneracyjnego możemy stwierdzić czy zastosowanie kogeneracji w tych warunkach ma sens oraz oszacować koszt podstawowych urządzeń. 6. Agregat kogeneracyjny dobrany na podstawie wykresu uporządkowanego nie pozwala na uwzględnienie przerw serwisowych. 7. Podstawą wszelkich analiz efektywności energetycznej i finansowej kogeneracji (poligeneracji) są 15 minutowe pomiary zużycia prądu oraz obliczone obciążenie godzinowe. Pomiary godzinowe powinny uwzględniać przerwy serwisowe zgodnie z planem obsługiwani określonym przez producenta CHP. 8. Modelowanie profilu energetycznego ma na celu uwzględnienie planowanych zmian profilu w zakresie zwiększenia zużycia prądu przez dodatkowe urządzenia (technologie) lub obiekty dobudowywane, a także zmniejszenia zużycia prądu w wyniku np. wymiany opraw oświetleniowych lub zmiany technologii. Modelowanie profilu energetycznego odbywa się na bazie godzinowego zużycia prądu. 8