KOGENERACJA WYSOKOSPRAWNA PROJEKTOWANE ZMIANY ORAZ PORÓWNANIE METODOLOGII OBLICZEŃ W POLSCE I REPUBLICE CZESKIEJ

Transkrypt

1 KOGENERACJA WYSOKOSPRAWNA PROJEKTOWANE ZMIANY ORAZ PORÓWNANIE METODOLOGII OBLICZEŃ W POLSCE I REPUBLICE CZESKIEJ Autor: Krzysztof Wojas, Paweł Wanatowicz ( Rynek Energii - październik 2010) Słowa kluczowe: kogeneracja wysokosprawna, współczynnik skojarzenia, system wsparcia, tryb pełnej kogeneracji Streszczenie. W artykule opisano projektowane zmiany w metodzie obliczeń energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji przedstawionej w projekcie rozporządzenia kogeneracyjnego, które wynikają z zapisów Decyzji Komisji z dnia 19 listopada 2008 r. w sprawie określenia szczegółowych wytycznych dotyczących wykonania i stosowania przepisów załącznika II do dyrektywy 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady. Zmiany te mogą spowodować, że jednostki kogeneracji o sprawności przemiany niższej od sprawności granicznej zostaną pozbawione wsparcia wynikającego z produkcji energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji. W artykule przedstawiono także metodę obliczeń stosowaną w Republice Czeskiej i porównano ją z polskimi algorytmami obliczeń. 1. WSTĘP Planowane zmiany w metodzie obliczeń energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji w sektorze wytwórczym energetyki budzą szereg uwag i obaw. Mogą spowodować, że wiele jednostek wytwórczych zostanie pozbawionych wsparcia związanego z wytwarzaniem tej energii. Nowa metodologia obliczeń powoduje znaczne i zazwyczaj niekorzystne dla jednostek efekty, jednakże jest uzasadniana koniecznością implementacji zapisów prawa europejskiego. W artykule przeanalizowano wpływ zmian metodologii współczynnika C, będącego jednym z kluczowych wielkości obliczanych dla jednostek kogeneracji o sprawności ogólnej niższej od sprawności granicznej (odpowiednio 75% lub 80%). W artykule porównano metodologię obliczeń stosowaną w Republice Czeskiej z metodologią stosowaną oraz planowaną do zastosowania w Polsce. 2. METODOLOGIA OBLICZEŃ W POLSCE Obecnie stosowana metodologia obliczeń energii elektrycznej wyprodukowanej w wysokosprawnej kogeneracji wykorzystywana jest od połowy 2007 roku. Zasady te zostały wprowadzone w rozporządzeniu [9] będącym aktem wykonawczym ustawy [10] i zostały wprowadzone na podstawie nowelizacji ustawy [11]. Metodologia obliczeń oparta jest na zapisach dyrektywy [4] oraz Decyzji Komisji [3]. Zgodnie z tą metodologią, w przypadku jednostek kogeneracji, których sprawność przemiany energii chemicznej w energię elektryczną lub mechaniczną i ciepło użytkowe (zwana sprawnością ogólną) jest niższa od sprawności ogólnej (odpowiednio 75% lub 80%), tylko część energii elektrycznej może zostać zaliczona do energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji wysokosprawnej. W celu wyznaczenia ilości tej energii oblicza się wartość współczynnika C, określającego stosunek energii elektrycznej wytworzonej w kogeneracji A bq do ciepła użytkowego w kogeneracji Q uq. Sposób obliczania współczynnika C opiera się na założeniach szczegółowo opisanych w [8]. Zasady wyznaczania współczynnika C w stosowanej metodologii obliczeń:

2 są ściśle związane ze sprawnością wytwarzania energii elektrycznej poza procesem kogeneracji η ek, bazują na założeniu, że suma cząstkowych sprawności wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji (η qe i η qc ) jest równa sprawności granicznej η gr, powodują, że obliczana wartość A bq nie przekracza całkowitej ilości wyprodukowanej energii elektrycznej brutto A b, pozwalają na wykazanie oszczędności energii pierwotnej w przypadku jednostek kogeneracji produkujących energię elektryczną i ciepło w skojarzeniu z wysoką sprawnością wyznaczoną zgodnie z normą [6]. W I połowie 2010 roku ukazał się projekt rozporządzenia [7], które ma zastąpić rozporządzenie [9]. Celem zmiany rozporządzenia jest m.in. wprowadzenie do polskiego prawa zapisów Decyzji Komisji [2]. Zmiany dotyczą przede wszystkim jednostek kogeneracji posiadających sprawność ogólną niższą od sprawności granicznej. Zgodnie z Decyzją Komisji [2] jednostki kogeneracji posiadające sprawność ogólną niższą od sprawności granicznej można wirtualnie podzielić na część kogeneracyjną i niekogeneracyjną oraz: w przypadku części kogeneracyjnej należy sprawdzić, czy jednostka pracuje w trybie pełnej kogeneracji (tj. z maksymalnym technicznie możliwym odzyskiem ciepła własnego), w trybie pełnej kogeneracji przyjmuje się, że całość energii elektrycznej jest wytwarzana w skojarzeniu, współczynnik C wyznaczany jest na podstawie pomiaru ilości wyprodukowanej energii elektrycznej i ciepła użytkowego w części kogeneracyjnej w trybie pełnej kogeneracji. Powyższe zapisy Decyzji Komisji [2] do projektu rozporządzenia [7] zostały zaimplementowane w następujący sposób: od 2011 roku współczynnik C należy wyznaczyć na podstawie zależności: = 3,6 gdzie: A br ilość energii elektrycznej zmierzona na zaciskach generatora w okresie pomiarowym, MWh, Q ur ilość ciepła użytkowego w kogeneracji zmierzona w okresie pomiarowym, GJ, wielkości A br i Q ur wyznacza się na podstawie rzeczywistych parametrów technologicznych w dowolnym okresie pracy jednostki kogeneracyjnej z maksymalnym technicznie możliwym wykorzystaniem ciepła użytkowego. Zasady przedstawione w Decyzji Komisji [2] i projekcie rozporządzenia [7] nie są spójne. Ponadto wątpliwości budzą już zapisy Decyzji Komisji [2], gdyż w przypadku jednostek kogeneracji posiadających turbozespoły upustowo-kondensacyjne najczęściej nie ma możliwości wirtualnego wydzielenia części kogeneracyjnej oraz okresu pracy jednostki w trybie pełnej kogeneracji w taki sposób, aby ilość wyprodukowanej energii elektrycznej z części kogeneracyjnej mogła zostać określona na podstawie bezpośredniego pomiaru, ponieważ pomiar ilości energii elektrycznej obejmuje całe turbozespoły, a więc także energię elektryczną wytworzoną na ilości pary wprowadzonej do kondensatora. Przyjęcie do obliczeń energii elektrycznej zmierzonej na zaciskach generatora, obejmującej energię wyprodukowaną na strumieniu pary do skraplacza, powoduje znaczący wzrost wartości współczynnika C (a zatem wzrost wartości A bq ), ale także powoduje także znaczące obniżenie wskaźnika PES. W związku z tym zazwyczaj energia A bq nie może zostać zaliczona do energii wytworzonej w kogeneracji wysokosprawnej (dla jednostek o mocy nominalnej powyżej 1 MW wskaźnik PES nie osiąga

3 wymaganej wartości 10%). Dodatkowo zasady te są znacząco sprzeczne z zasadami fizycznymi opisanymi w normie [6]. W związku z tym, że dyrektywa [4] oraz Decyzje Komisji [3] i [2] dotyczą także pozostałych państw członkowskich Unii Europejskiej, poniżej przedstawiono sposób implementacji zapisów ww. dokumentów w Republice Czeskiej. 3. METODOLOGIA OBLICZEŃ W REPUBLICE CZESKIEJ W Republice Czeskiej zapisy dyrektywy [4] wdrożono rozporządzeniem z dnia 31 października 2005 r. nr 439/2005 ustanawiającym szczegółowy sposób wyznaczania ilości energii elektrycznej ze skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz wyznaczania ilości energii elektrycznej z wtórnych źródeł energii [13]. Po uchwaleniu Decyzji Komisji [2] ukazało się nowe rozporządzenie nr 344/2009 z 30 września 2009 r. [12], w którym zaprezentowano szczegółowy sposób wyznaczania energii elektrycznej z kogeneracji wysokosprawnej, nie różniący się znacząco od zasad przedstawionych w [13]. Sposób wyznaczania energii elektrycznej i ciepła użytkowego w kogeneracji obowiązujący w Republice Czeskiej różni się jednak od metodyki polskiej obowiązującej wg [9] i projektowanej wg [7]. Przede wszystkim w Republice Czeskiej wyznaczana ilość energii elektrycznej uzależniona jest od rodzaju stosowanej technologii: turbiny parowej przeciwprężnej, upustowo-kondensacyjnej, turbiny gazowej z odzyskiem ciepła, silnika spalinowego czy układów gazowo-parowych z odzyskiem ciepła. W przypadku układów mieszanych (np. jednostka kogeneracji z turbinami upustowo-kondensacyjnymi oraz przeciwprężnymi) rozdziela się ilość ciepła użytkowego z poszczególnych urządzeń. Przykładowo, w przypadku osiągnięcia przez jednostkę kogeneracji z turbiną parową przeciwprężną sprawności ogólnej poniżej sprawności granicznej, ilość energii elektrycznej z kogeneracji jest równa: E T = Quž T y p x p, MWh, gdzie: E T ilość energii elektrycznej z kogeneracji, MWh, Quž T ciepło użytkowe, MWh, y p współczynnik określający stosunek produkcji energii elektrycznej do produkcji ciepła użytkowego za dany okres, x p współczynnik wpływu obciążenia turbiny. Wartości współczynników y p i x p dla turbin przeciwprężnych odczytuje się z odpowiednich tabel zamieszczonych w rozporządzeniu [12]. W podobny sposób wyznacza się ilość energii elektrycznej z kogeneracji wytworzonej w turbinie upustowo-kondensacyjnej, która nie spełnia warunku uzyskania sprawności granicznej: E T = Quž T y ko x p, MWh,

4 gdzie: E T ilość energii elektrycznej z kogeneracji, MWh, Quž T ciepło użytkowe, MWh, y ko współczynnik określający stosunek produkcji energii elektrycznej w urządzeniach kogeneracyjnych do wytworzonego ciepła użytkowego za dany okres obliczeniowy. Wartości współczynników y ko i x p dla turbin upustowo-kondensacyjnych odczytuje się z odpowiednich tabel zamieszczonych w rozporządzeniu [12]. W przypadku, gdy część energii elektrycznej została wytworzona poza procesem kogeneracji, wyznacza się ją ze wzoru: =, MWh, gdzie: E K ilość energii elektrycznej wytworzonej poza procesem kogeneracji, MWh, M ko ilość kondensatu za turbiną w danym okresie, Mg, i ad - entalpia pary przed turbiną, GJ/Mg, i ko - entalpia kondensatu z kondensatora, GJ/Mg, q elkond - zużycie ciepła na wytwarzanie energii elektrycznej w trybie kondensacyjnym (przyjęta na podstawie danych producenta lub wyznaczona przez niezależną instytucję), GJ/MWh. W rozporządzeniu [12] zamieszczono także warunek, że wyznaczona ilość energii elektrycznej z kogeneracji nie może być większa niż całkowita produkcja energii elektrycznej pomniejszona o produkcję energii elektrycznej wytworzonej poza procesem kogeneracji. Za energię elektryczną wytworzoną w wysokosprawnej kogeneracji przysługuje wsparcie. Kwoty wsparcia ogłaszane są corocznie przez czeski odpowiednik Urzędu Regulacji Energetyki - ERÚ (Energetický Regulační Úřad) w Decyzji w sprawie cen. W roku 2010 obowiązuje Decyzja w sprawie cen nr 4/2009 [1] i zgodnie z nią za energię elektryczną wytworzoną w kogeneracji z produkcją ciepła, za wyjątkiem wytwarzania przy użyciu odnawialnych źródeł energii lub spalania metanu, wytwórca energii elektrycznej z kogeneracji wysokosprawnej otrzymuje: 470 Kč/MWh (tj. 75,40 zł) w jednostkach o mocy zainstalowanej do 1 MW łącznie, 390 Kč/MWh (tj. 62,56 zł) w jednostkach o mocy zainstalowanej od 1 do 5 MW łącznie, 45 Kč/MWh (tj. 7,22 zł) w jednostkach o mocy zainstalowanej ponad 5 MW. 4. PORÓWNANIE METODOLOGII STOSOWANYCH W POLSCE I REPUBLICE CZESKIEJ W celu porównania stosowanych metodologii obliczeń opracowano dwa uproszczone modele jednostek kogeneracji posiadające po jednym bloku. Pierwsza zamodelowana jednostka posiada turbinę upustowo-kondensacyjną (rys. 1a), natomiast druga turbinę przeciwprężną (rys. 1b). Na rysunkach zaznaczono podstawowe parametry pracy urządzeń, dobrane w taki sposób, aby sprawność ogólna jednostek kogeneracji nie przekraczała sprawności granicznej. Dla tych modeli dokonano obliczeń symulacyjnych opartych o metodologię stosowaną w Polsce (aktualnie obowiązującą oraz przewidywaną do stosowania od początku 2011 roku) oraz metodologię stosowaną w Republice Czeskiej. W przypadku jednostki kogeneracji z turbiną upustowo-kondensacyjną obliczenia wykonano dla dwóch wartości strumienia pary upustowej. Obliczenia wykonano dla 1h. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 1.

5 a) b) Rys. 1. Jednostki kogeneracyjne Obliczenia wykazały, że zmiana metodologii obliczeń współczynnika C w 2011 roku w Polsce przede wszystkim spowoduje znaczne obniżenie wskaźnika PES dla jednostek kogeneracji wyposażonych w turbiny upustowo-kondensacyjne, a co za tym idzie, jednostki te zostaną pozbawione wsparcia wynikającego z produkcji energii elektrycznej wytwarzanej w wysokosprawnej kogeneracji. Nowa metodologia obliczeń charakteryzuje się także znacznym wpływem ilości pobieranego ciepła z upustu turbiny na wartość wskaźnika PES. W przypadku jednostki kogeneracji z turbiną przeciwprężną, zarówno wyniki obliczeń wg metodologii stosowanej w Polsce, jak i w Republice Czeskiej, nie pozwalają na zaliczenie energii elektrycznej do energii wyprodukowanej w wysokosprawnej kogeneracji, niemniej wskaźnik PES obliczony wg metodologii czeskiej jest wyższy niż wg metodologii polskiej. Tabela 1 Porównanie wyników obliczeń kogeneracyjnych wg metodologii polskiej i czeskiej M up = 10t/h Turbina upustowo-kondensacyjna M up = 20t/h Turbina przeciwprężna L.p. Opis Symbol J.m. Polska Polska Polska Rozporz. Projekt rozporz. Republika Czeska Rozporz. Projekt rozporz. Republika Czeska Rozporz. Projekt rozporz. Republika Czeska Produkcja energii elektrycznej Produkcja ciepła użytkowego Zużycie energii chemicznej paliwa A b MWh 19,287 18,301 7,760 Q u GJ 29,300 58, ,006 Q b GJ 295, , ,412 4 Sprawność graniczna η gr % 80,000 80,000 75,000 5 Sprawność ogólna η % 33,406 42,118 74, Produkcja energii elektrycznej w kogeneracji Wskaźnik oszczędności energii pierwotnej PES Produkcja energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji A bq MWh 2,207 19,287 3,907 4,414 18,301 7,813 7,702 7,760 7,760 PES % 17,603-25,182 11,131 17,603-14,104 11,131 0,637 0,073 5,785 A bq (objęte wsparciem) MWh 2,207 0,000 3,907 4,414 0,000 7,813 0,000 0,000 0,000

6 5. PODSUMOWANIE Zmiany metodologii obliczeń proponowane w projekcie rozporządzenia [2] są niekorzystne dla sektora wytwórczego energetyki. Wyniki obliczeń symulacyjnych, jak również obliczeń wykonywanych przez TÜV SÜD Polska Sp. z.o.o. w oparciu o rzeczywiste dane otrzymywane z jednostek wytwórczych wskazują, że w wyniku zmian w metodologii obliczania wskaźnika C w większości jednostek wytwórczych o sprawności ogólnej niższej od sprawności granicznej (przede wszystkim jednostek wyposażonych w turbiny upustowo-kondensacyjne) otrzymywane wartości wskaźnika oszczędności energii pierwotnej PES są zdecydowanie niższe od wyników uzyskanych w oparciu o metodologię stosowaną obecnie i nie osiągają wartości pozwalającej na uzyskanie wsparcia wynikającego z produkcji energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji. Zmiany wynikające z metodologii obliczeń współczynnika C nie mają uzasadnienia fizycznego, do algorytmów obliczeń zostały wprowadzone fragmentarycznie, bez uwzględnienia powiązań z innymi wielkościami wyznaczanymi w oparciu o dotychczasowe, znacząco odmienne założenia. Opisane zmiany metodologii obliczeń współczynnika C nie są jedynymi zmianami, budzącymi wątpliwości i obawy jednostek wytwórczych. Część tych zmian (np. sposobu uwzględniania równoważnika paliwowego) dotyczy mniejszej grupy jednostek wytwórczych, jednakże ich wpływ może okazać się równie dotkliwy, jak wpływ zmian opisanych w niniejszym artykule. Powodem wprowadzenia zmian do rozporządzenia [9] są m.in. zapisy Decyzji Komisji [2], które dotyczą nie tylko Polski, ale także pozostałych krajów członkowskich UE. Przedstawiona w artykule metodologia obliczeń stosowana w Republice Czeskiej jest znacząco odmienna i znacznie prostsza od metodologii stosowanej w naszym kraju, zaś zmiany związane z wprowadzeniem zapisów decyzji komisji w Republice Czeskiej są kosmetyczne. Czeska metodologia obliczeń bazuje na tabelarycznych, referencyjnych wartościach wskaźnika C przyjmowanych w zależności od rodzaju zastosowanych turbin, korygowanych w zależności od poziomu średniego obciążenia turbozespołu względem obciążenia nominalnego. Pozostawienie dotychczasowych zasad obliczeń współczynnika C dla jednostek wytwórczych posiadających turbozespoły upustowo-kondensacyjne lub innych jednostek, w których stale występuje praca w pseudokondensacji, rozwiązałoby wyżej opisane problemy. LITERATURA [1] Cenové rozhodnutí ERÚ č. 4/2009 kterým se stanovuje podpora pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, kombinované výroby elektřiny a tepla a druhotných energetických zdrojů. [2] Decyzja Komisji z dnia 19 listopada 2008 r. w sprawie określenia szczegółowych wytycznych dotyczących wykonania i stosowania przepisów załącznika II do dyrektywy 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady (2008/952/WE). [3] Decyzja Komisji z dnia 21 grudnia 2006 r. ustanawiająca zharmonizowane wartości referencyjne wydajności dla rozdzielonej produkcji energii elektrycznej i ciepła zgodnie z dyrektywą 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady. [4] Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym

7 energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG; Dziennik Urzędowy L 052, 21/02/2004 P [5] Kotowicz J., Bartela Ł.: Wpływ zmian obciążeń elektrociepłowni gazowo-parowej na charakterystyki termodynamiczne. Rynek Energii 2008, nr 5. [6] Polska Norma PN-M-35500:1993 Metodyka obliczania zużycia paliwa do wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i mechanicznej. [7] Projekt Rozporządzenia Ministra Gospodarki [9] (wersja z dnia r., dostępna na stronach internetowych Ministerstwa Gospodarki w dn r.). [8] Szymała A.: Kogeneracja wysokosprawna. Energetyka Cieplna i Zawodowa 2010, nr 7/8. [9] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 września 2007 r. w sprawie sposobu obliczania danych podanych we wniosku o wydanie świadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych świadectw, uiszczania opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji Dz. U. 175 poz z dnia 10 października 2007 r. [10] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne. (Dz. U. z 2006 r. Nr 89, poz. 625 z późn. zm.). [11] Ustawa z dnia 12 stycznia 2007 r. o zmianie ustawy - Prawo energetyczne, ustawy Prawo ochrony środowiska oraz ustawy o systemie oceny zgodności (Dz.U. z 2007 r. nr 21, poz. 124). [12] Vyhláška č. 344/2009 Sb. ze dne 30. září 2009 o podrobnostech způsobu určení elektřiny z vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla založené na poptávce po užitečném teple a určení elektřiny z druhotných energetických zdrojů. [13] Vyhláška č. 439/2005 Sb. ze dne 31. října 2005,kterou se stanoví podrobnosti způsobu určení množství elektřiny z kombinované výroby elektřiny a tepla a určení množství elektřiny z druhotných energetických zdrojů. HIGH-EFFICIENCY COGENERATION CHANGES IN POLISH LAW AND COMPARISON OF METHODOLOGIES USED IN POLAND AND CZECH REPUBLIC Key words: high-efficiency cogeneration, power to heat ratio, support system, full cogeneration mode Summary. In this paper are presented changes in methodology of calculation of electric energy from high efficiency cogeneration in Polish law due to new Commission Decision of 19 November 2008 and comparison of methodologies used in Poland and Czech Republic. Krzysztof Wojas, Specjalista ds. energetyki, TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. W firmie TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. zajmuje się zagadnieniami związanymi z gospodarką energetyczną, analizami niepewności, kogeneracją, metodami rozliczania paliw i energii oraz systemami bilansowania i optymalizacji pracy jednostek wytwórczych. Paweł Wanatowicz, Specjalista ds. energetyki i ochrony środowiska, TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. W firmie TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. zajmuje się zagadnieniami związanymi z monitorowaniem emisji CO 2, odnawialnymi źródłami energii, kogeneracją oraz szeroko pojętą gospodarką paliwową i energetyczną.