ANALIZA EFEKTYWNOŚCI TECHNICZNEJ I OPŁACALNOŚCI AGREGATÓW DO SKOJARZONEGO WYTWARZANIA CIEPŁA I PRĄDU Z BIOGAZU W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W OPOLU

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/27 25 Katarzyna Siejka, Politechnika Opolska, WiK Opole Sp. z o.o., Opole Mariusz Tańczuk, Politechnika Opolska, Opole ANALIZA EFEKTYWNOŚCI TECHNICZNEJ I OPŁACALNOŚCI AGREGATÓW DO SKOJARZONEGO WYTWARZANIA CIEPŁA I PRĄDU Z BIOGAZU W OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW W OPOLU TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF THE CHP UNITS FUELLED BY DIGESTION GAS FROM OPOLE SEWAGE TREATMENT PLANT Abstract: Technical and economical analysis of co-generation system based on the cogeneration plant in sewage treatment plant and experiences of operating the unit is presented in the paper. The cogeneration system consists of two IC engines driving generators and system of heat exchangers. The engines are supplied with sewage gas (biogas) that is produced in the process of sludge treatment. The CHP system cooperates with existing water boilers The main technical parameters: efficiency, fuel consumption, lubrication oil consumption have been derived basing on the exploitation data collected by means of meter circuit installed and daily operating reports. The basic economical indexes have been calculated including financial savings due to avoided purchase of electricity from the grid. There was found the following economical indexes:, IRR, SPB and DPB. In the calculations it was accounted that since the year of 27 there will be some additional incomes from trading in Green Certificates of produced electricity. The influence of trading in such certificates on the results of economical analysis was found. 1. Wstęp Na przełomie i roku zbudowano w miejskiej oczyszczalni ścieków w Opolu układ kogeneracyjny (tzw. układ CHP) do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Składa się on z dwóch silników spalinowych z generatorami i zespołem wymienników ciepła. Paliwem do napędu silników jest gaz fermentacyjny (biogaz) wytwarzany podczas przeróbki osadów ściekowych. Zastosowany układ wraz z istniejącymi wodnymi kotłami niskotemperaturowymi pokrywa potrzeby cieplne obiektu w postaci [1]: - gorącej wody technologicznej do podgrzewania osadu do temperatury około 32 C w komorze fermentacyjnej; ciepło technologiczne jest produkowane przez cały rok, a maksymalne zapotrzebowanie wynosi około 1 kw, - gorącej wody na cele c.o. (w sezonie grzewczym) oraz c.w.u. (przez cały rok) o maksymalnym zapotrzebowaniu około 25 kw. Zastosowane jednostki kogeneracyjne wytwarzają energię elektryczną dla pokrycia części potrzeb własnych oczyszczalni ścieków. Pozostała część energii jest kupowana z sieci. Celem pracy było przeprowadzenie analizy technicznej pracy układu oraz wyznaczenie ekonomicznej opłacalności wykonanej inwestycji. 2. Parametry techniczne i konfiguracja systemu Układ kogeneracyjny składa się z dwóch niezależnych agregatów Wola ZPG /15 H12G. W skład pojedynczego agregatu wchodzi gazowy silnik spalinowy wraz z układem zasilania, chłodzenia i odzysku ciepła oraz generator współpracujący z siecią energetyczną. Znamionowe parametry techniczne każdej z jednostek są następujące [1]: - moc znamionowa: 2 kw el / 341 kw t - godzinowe zużycie biogazu: 1 m 3 n /h, (wartość opałowa biogazu: MW d = 23 MJ/m 3 n) Układ CHP zastosowany w Opolu ma konfigurację cieplną typową dla małych układów skojarzonych zasilanych biogazem w oczyszczalniach ścieków. Zarówno układ kogeneracyjny jak i kotły wodne są zasilane biogazem. Biogaz jest wytwarzany w dwóch komorach fermentacyjnych WKF, skąd jest przesyłany do stałociśnieniowego zbiornika gazu. Ze zbiornika biogaz poprzez sieć gazową rozprowadzany jest do kotłowni (gdzie zasila kotły wodne) oraz do hali agregatów w której zasila 2 niezależne jednostki kogeneracyjne (tzw. CHP) zbudowane w oparciu o tłokowe silniki spalinowe. Schemat technologiczny układu przedstawia rysunek 1.

2 26 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/27 Produkcja ciepła Zasilanie Powrót ZBIORNIK BIOGAZU UKŁAD NISKOTEMPERATUROWYCH KOTŁÓW CH BLOK WYMIENNIKÓW UKŁAD CHP SILNIK nr 1 SILNIK nr 2 Rys. 1. Uproszczony schemat technologiczny instalacji produkcji ciepła i energii elektrycznej z wykorzystaniem biogazu w Oczyszczalni Ścieków w Opolu Podgrzana woda o temperaturze 9 o C kierowana jest do rozdzielaczy, skąd zasila układ centralnego ogrzewania, układ przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wymienniki osadu. Źródłem ciepła układu są gorące spaliny wylotowe oraz czynnik chłodzący silniki. 3. Techniczna i ekonomiczna analiza pracy układu 3.1 Wskaźniki pracy układu skojarzonego W celu oceny technicznej układu kogeneracyjnego przeprowadzono analizę danych zebranych w oparciu o istniejący układ pomiarowy. Zebrane dane obejmują od stycznia roku do grudnia 26 roku włącznie,, a dotyczą następujących parametrów i wielkości: zużycia biogazu (rys. 2), czasu pracy silników (rys. 3), produkcji energii elektrycznej (rys. 4) oraz produkcji ciepła (rys. 5). W analizie nie uwzględniono roku 22 ze względu na postój układu. Dane eksploatacyjne silników spalinowych dotyczą ich łącznej pracy z uwagi na to, że układy te monitorowane są wspólnie (brak jest niezależnych urządzeń pomiarowych dla każdego silnika). Oddzielnie podany został jedynie czas pracy silników wyznaczony na podstawie raportów dobowych sporządzanych przez obsługę układu kogeneracyjnego. Zebrane dane uporządkowano i przedstawiono w ujęciu miesięcznym. Zużycie biogazu, tys. m 3 n sty- sty-1 Rys. 2. Zużycie biogazu przez układ CHP sty-2 sty-3 sty-4 sty-5 sty-6 Produkcja energii elektrycznej Miesięczny czas pracy, h sty- sty-1 Silnik nr 2 Silnik nr 1 sty-2 Rys. 3. Czas pracy silników Produkcja energii elektr., MWh sty- sty-1 sty-2 sty-3 sty-3 sty-4 sty-4 Rys. 4. Produkcja energii elektrycznej Produkcja ciepła, GJ sty- sty-1 Rys. 5. Produkcja ciepła sty-2 Na podstawie analizy danych dotyczących 8- letniej eksploatacji i średniej wartości opałowej produkowanego biogazu wyznaczono następujące wskaźniki pracy układu skojarzonego: sprawność produkcji energii elektrycznej η el (rys. 6), wskaźnik jednostkowego zużycia paliwa c f (rys. 7) oraz wskaźnik zużycia oleju smarnego c o. Ze względu na brak odpowiedniego układu pomiarowego wskaźniki te wyznaczone zostały dla całego układu, tzn. dla dwóch silników łącznie. Sprawność elektryczną wyznaczono w oparciu o formułę: ES1 + η el = (1) P Wd gdzie E S2 - ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez agregaty, kwh, P S2 - zużycie biogazu przez agregaty, m 3 n, W d - wartość opałowa biogazu, kj/m 3 n Wskaźnik jednostkowego zużycia paliwa wyznaczono z zależności: sty-3 sty-4 sty-5 sty-5 sty-5 sty-6 sty-6 sty-6

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/27 27 Sprawność produkcji energii elektrycznej.,35,3,25,2,15 c sty- f P = (2) sty-1 E Rys.6. Sprawność produkcji energii elektrycznej Jednostkowe zużycie paliwa, m 3 n/kwhel 1,,9,8,7,6,5,4 sty- sty-1 sty-2 sty-2 sty-3 sty-3 sty-4 sty-4 Rys. 7. Jednostkowe zużycie biogazu Wskaźnik zużycia oleju smarnego c o wyznaczono na podstawie danych o ilości zużytego oleju, na podstawie formuły: c o O E S 1+ sty-5 sty-5 sty-6 sty-6 S 1+ = (3) gdzie O S2 roczne zużycie oleju smarnego przez agregaty (łącznie nr 1 i nr 2). Jego wartość porównano z wartością katalogową charakteryzującą nowe, aktualnie dostępne na rynku silniki produkcji zachodniej. Dla układów takich, przy założeniu pracy w warunkach znamionowych i z obciążeniem znamionowym, wskaźnik ten wynosi ok..35 mililitrów/kwh el. Dla analizowanego układu w Opolu wyznaczony wskaźnik c o jest znacznie większy. W kolejnych analizowanych ch eksploatacji (-26) przyjmował on następujące wartości: 1.69, 1.77, 1.92, 2.29, -, 1.69, 3.5, 3.63, 3.19 ml/kwh el Wskaźniki opłacalności analiza ekonomiczna układu kogeneracyjnego Przeprowadzona analiza techniczna pracy układu stanowiła podstawę do przeprowadzenia oceny efektywności ekonomicznej pracy układu. Analizę opłacalności przeprowadzono w oparciu o następujące podstawowe dane finansowe: 1) całkowity poniesiony nakład z uwzględnieniem sposobu finansowania, 2) koszt uniknięty zakupu energii elektrycznej, 3) roczne koszty amortyzacji układu i roczne koszty eksploatacji (w tym koszty obsługi, remontów i przeglądów, zużycia oleju smarnego i koszty środowiskowe), 4) koszty związane z inwestycją alternatywną, tj. taką, która wykonana zostałaby w przypadku zaniechania budowy analizowanego układu kogeneracyjnego. Do analizy ekonomicznej przyjęto następujące założenia: - przyjęty czas eksploatacji układu skojarzonego wynosi: n = 12 lat ( do 29 r.), - koszty z lat wyliczono w o- parciu o dane z lat -26 (uśrednienie), - wielkość odpisów amortyzacyjnych dla badanego u wyznaczono na podstawie danych księgowych, - jako inwestycję alternatywną rozważono budowę kotłów gazowych: przyjęto nakład w wysokości 5 i roczną stopę amortyzacji 11%, - stopa dyskonta (d = 1%), - cena Praw Majątkowych do Świadectw Pochodzenia (Zielonych Certyfikatów): 2 zł za 1 MWh energii wyprodukowanej z OZE (odnawialnych źródeł energii) [2] Inwestycja przeprowadzona w ch - sfinansowana była ze środków własnych Wodociągów i Kanalizacji w Opolu Sp. z o.o. (48% całości) oraz ze źródła zewnętrznego w postaci niskooprocentowanej, częściowo (w 7%) umorzonej, pożyczki. Całkowite koszty inwestycji wyniosły ok. 85. W przeprowadzonym rachunku ekonomicznym uwzględniono koszt uniknięty zakupu energii elektrycznej, która zastąpiona została produkcją własną. W analizowanym ie 8 lat pracy układ kogeneracyjny wyprodukował ok. 12,2 GWh energii elektrycznej, a całkowite koszty uniknięte zakupu tej ilości energii z sieci wyniosły ponad 2,5 mln zł. Wynikiem przeprowadzonej analizy ekonomicznej są podstawowe wskaźniki opłacalności:, IRR, SPB oraz DPB. Przebieg zmienności wskaźnika w funkcji czasu eksploatacji przedstawiono na rysunku 8.

4 28 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/ Zysk prosty 21 Rys. 8. Wskaźnik przedsięwzięcia, d =1% Po 12 ch eksploatacji układu wartość wynosi ok Prosty zwrotu SPB (stopa dyskonta d = ) wynosi około 1.8 lat. Zdyskontowany czas zwrotu DPB jest nieco większy i wynosi: 2.4 lat. W ramach analizy wyznaczono także wewnętrzną stopę zwrotu IRR, która dla analizowanego projektu wynosi około 33%, co jest wartością niezwykle korzystną jak dla inwestycji energetycznych. Na tak korzystne wskaźniki opłacalności ma wpływ przede wszystkim fakt dostępności paliwa odpadowego w postaci biogazu (brak kosztów zakupu paliwa), oraz przeznaczenie całości wyprodukowanej energii elektrycznej na potrzeby własne oczyszczalni ścieków (duże koszty uniknięte zakupu energii z sieci) bez umorzenia części kredytu Rys. 9. Wpływ umorzenia części kredytu na wartość wskaźnika przedsięwzięcia Na dobry wynik ekonomiczny ma również wpływ fakt umorzenia części (7%) zaciągniętego kredytu, jednak nie jest to wpływ decydujący i przesądzający o opłacalności projektu. Wariant bez umorzenia cechuje się w dalszym ciągu bardzo wysoką opłacalnością (rys. 9). W analizie założono, że od roku 27 część przychodów z eksploatacji układu skojarzonego pochodzić będzie ze sprzedaży Praw Majątkowych do Świadectw Pochodzenia (PMSP) uzyskanych z URE dla energii elektrycznej wyprodukowanej z biogazu (handel Zielonymi Certyfikatami). Wpływ handlu certyfikatami na wskaźnik pokazano na rysunku 1. Wartość wskaźnika po 12 ch eksploatacji wzrosła o około (bez handlu Zielonymi Certyfikatami 21 Rys. 1. Wpływ handlu Zielonymi Certyfikatami (PMSP na opłacalność przedsięwzięcia) 4. Wnioski - Przeprowadzona analiza wskazuje jednoznacznie na bardzo dużą opłacalność zastosowania układu CHP zasilanego biogazem z komór fermentacyjnych, pomimo niezbyt wysokich wskaźników technicznych eksploatowanych agregatów kogeneracyjnych. - Wprowadzenie handlu zielonymi certyfikatami wyprodukowanej energii wpływa bardzo korzystnie na opłacalność projektu. - Dostępność biogazu w oczyszczalni ścieków powoduje, że zastosowanie odpowiednio dobranego układu skojarzonego jako źródła ciepła i energii elektrycznej dla obiektu oczyszczalni jest ekonomicznie uzasadnione. 7. Literatura [1]. Tańczuk M., Skorek J., Ulbrich R.: Small-scale biogas-fuelled cogeneration system in Opole Sewage Treatment Plant. 26 Beijing International Environmental Technology Symposium, September 2-21, Beijing 26 r. [2]. Skorek J., Tańczuk M., Siejka K.: Aspekty techniczne i ekonomiczne eksploatacji małego układu skojarzonego zasilanego biogazem w Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Opolu. Konferencja pt. Kogeneracja rozproszona równoczesne wytwarzanie ciepła i prądu w gminie i w przedsiębiorstwie. Opole 11 grudnia 26 r

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 78/27 29 Autorzy Dr inż. Katarzyna Siejka jest adiunktem w Katedrze Techniki Rolniczej i Leśnej na Wydziale Mechanicznym Politechniki Opolskiej przy ul. St. Mikołajczyka 5, Opole, tel.: , faks: , k.siejka@po.opole.pl Dr inż. Katarzyna Siejka pracuje również w firmie Wodociągi i Kanalizacja Opole Sp. z o.o. na stanowisku starszego specjalisty ds. monitorowania i wdrażania procedur unijnych, przy ul. Oleskiej 64, Opole, tel , faks: , k.siejka@wikopole.com.pl Dr inż. Mariusz Tańczuk jest adiunktem w Katedrze Inżynierii Środowiska na Wydziale Mechanicznym Politechniki Opolskiej przy ul. St. Mikołajczyka 5, Opole, tel.: , faks: , m.tanczuk@po.opole.pl