MALE ELEKTROCIEPŁOWNIE GAZOWE Z ZASOBNIKAMI

Transkrypt

1 MALE ELEKTROCIEPŁOWNIE GAZOWE Z ZASOBNIKAMI CIEPŁA I GAZU Część I Układy technologiczne Autor: Dr inŝ. Henryk Wojciechowski, Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej, Wrocław ( Instal nr 9/2009) 1. Wprowadzenie Zasobniki ciepła w ostatnich latach są intensywnie wprowadzane do układów technologicznych skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej, ciepła i chłodu zaopatrujących w ciepło i chłód systemy grzewcze i klimatyzacyjne. Zasobniki ciepła w tych układach umoŝliwiają dostosowanie produkcji energii elektrycznej do potrzeb systemu elektroenergetycznego zapewniając ilościową i jakościową dostawę ciepła czy chłodu dla potrzeb odbiorców. Liberalizacja rynku energii elektrycznej zwiększyła potrzebę elastyczności jednostek pracujących w skojarzeniu dla uzyskania większej ekonomiki zarówno przy zaspokajaniu potrzeb odbiorców ciepła jak i udziału w rynku energii elektrycznej. Wprowadzenie do układu ciepłowniczego bufora (wodnego zasobnika ciepła) pomiędzy źródłem a odbiorem ciepła umoŝliwia dostosowanie pracy układu skojarzonego do potrzeb rynku energii elektrycznej. Krajem, w którym powszechne wykorzystuje się zasobniki ciepła jest Dania. Są to zbiorniki stalowe o pojemności od 50 m 3 do m 3. Największe zasobniki pracują w elektrociepłowniach : w Hjorrning m 3, w Esbjerg m 3, w Skaerbaek m 3, w Studstrup m 3, w Fynsvaerket m 3 [1,2]. RównieŜ w Polsce wykorzystuje się zasobniki ciepła, zwłaszcza gdy układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła współpracuje z zautomatyzowaną siecią cieplną oraz by poprawić efektywność ekonomiczną stosowania turbin i silników gazowych. 2. Techniki magazynowania ciepła i chłodu Stosowane sposoby magazynowania ciepła i chłodu klasyfikowane są następująco [3,4 ] :

2 magazynowanie aktywne z wykorzystaniem ciepła właściwego ciał (ciepło jawne), magazynowanie aktywne z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych (ciepło utajone), magazynowanie aktywne wykorzystujące ciepło przemian chemicznych i fotochemicznych magazynowanie pasywne w elementach konstrukcyjnych budowli Zasobniki na ciepło jawne są nadal najbardziej powszechne. Substancjami akumulującymi ciepło są woda oraz ciała stałe (skały, kamienie, Ŝwir). Woda jest łatwo dostępna (cenowo i ilościowo) i charakteryzuje się duŝą właściwą objętościową pojemnością cieplną wynoszącą 1,16 kwh/(m 3 K), właściwa pojemność cieplna skał, kamieni, Ŝwiru, cegły, betonu jest o 50 % niŝsza niŝ wody, zatem wymagana objętość złoŝa tych zasobników musi być znacznie większa od zasobnika wodnego dla tej samej ilości ciepła. Stosowanie wody dla celów chłodniczych w stanie ciekłym ma ograniczenia w jej wykorzystaniu wynikające z niewielkiego moŝliwego przyrostu temperatur czynnika chłodzącego nie przekraczającego w praktyce kilku stopni. Przy przyroście temperatury o 5 o C zdolność akumulacyjna 1m 3 wody wynosi 6 kwh. Praktycznie eliminuje to wodę w tej postaci z zastosowań w chłodnictwie. W chłodnictwie znajduje zastosowanie energia gromadzona lub uwalniana podczas przemian fazowych substancji zachodzących w stałej temperaturze (przy niezmiennym ciśnieniu). Energia absorbowana lub uwalniana podczas tego procesu jest z reguły wielokrotnie większa niŝ energia niezbędna do zmiany temperatury substancji. Ciepło potrzebne do stopienia 1m 3 lodu w temperaturze 0 o C wynosi 93 kwh. W magazynach chemicznych wykorzystuje się moŝliwość przechowywania i odzyskiwania ciepła na drodze odwracalnych reakcji endo- i egzotermicznych. Na przykład z 1 m 3 NH 4 Br(s) moŝna uzyskać 1290 kwh ciepła. Zasobniki chemiczne mają moŝliwość gromadzenia ciepła w małych urządzeniach i znajdują zastosowanie w mobilnych zasobnikach ciepła, które moŝna transportować na duŝe odległości [5]. 3. Dobór wielkości zbiornika Cyklem pracy zasobników ciepła znajdujących zastosowanie w systemach ciepłowniczych w

3 sezonie grzewczym jest doba. Oznacza to, iŝ na końcu rozpatrywanej doby w zasobniku ciepła znajdują się takie same ilości ciepła czynnika gorącego i zimnego jak na początku doby. Wzrastająca cena gazu ziemnego powoduje, ze elektrociepłownie z turbinami gazowymi i gazowo-parowymi pracują w okresach wysokich stawek taryfowych sprzedaŝy energii elektrycznej w okresie doby. Ciepło wyprodukowane w elektrociepłowni w szczytowych okresach zapotrzebowania na energie elektryczną w systemie elektroenergetycznym magazynuje się w zasobniku w celu zapewnienia wymaganej dostawy ciepła w okresach obniŝenia mocy cieplnej układu ko generacyjnego poza szczytem lub jego odstawień (okresy dolin i weekendy). Dobór wielkości zasobnika w układzie cieplnym przeprowadza się na podstawie analizy programowanej pracy układu cieplnego elektrociepłowni z zasobnikiem ciepła (np. maksymalna moc elektryczna w szczytach obciąŝeń) a potrzebami cieplnymi odbiorców ciepła. Prawidłowo dobrana wielkość zasobnika stanowi bufor umoŝliwiający programowaną produkcje energii elektrycznej i dostarczanie ciepła odbiorcom w wymaganej ilości i jakości [6,7,8,9,10]. Wymiarowanie energetyczne akumulatora jest elementem analizy koszt / efekt, wykorzystującej zarówno wielkości deterministyczne jak i niedeterministyczne. Do pierwszej grupy naleŝy przykładowo wartość inwestycji, a do drugiej ceny energii elektrycznej i usług na rynku. NaleŜy równieŝ uwzględnić grubość nieuŝytecznej warstwy separacyjnej (strefy przejściowej), która w zbiornikach o stosunku wysokości do średnicy do 1,5 wynosi ok. 1 m [6]. W zbiornikach o stosunku wysokości do średnicy 22/3,5 (zasobniki w Chemnitz, Dresden - Niemcy) grubość warstwy przejściowej wynosi (5 10 ) cm [7]. WaŜną rolę odgrywa dobór przyrostu temperatury w zasobniku, gdyŝ bezpośrednio wpływa ona na rozmiary zbiornika. RóŜnice temperatur w zbiornikach atmosferycznych zawierają naogół w przedziale (30 40) o C, dla zbiorników ciśnieniowych wartość ta wzrasta do (50-55) o C. Optymalną pojemność cieplną zasobnika współpracującego z układem kogeneracyjnym moŝna określić na podstawie następujących kryteriów : 1. zasobnik ciepła stabilizuje pracę źródła, praca źródła prowadzona jest ze średnią wartością mocy cieplnej w okresie doby. Efektem są mniejsze koszty inwestycyjne (moŝna o (10 12) % zainstalować niŝszą moc cieplną w urządzeniach wytwórczych) oraz koszty eksploatacyjne wynikające z moŝliwości pracy źródła ze stałą wysoką sprawnością [9,10],

4 2. maksymalizacji produkcji energii elektrycznej w okresach szczytowego zapotrzebowania, uwzględnia wpływ struktury taryf dla energii elektrycznej w okresie doby [9,10,11], produkuje się maksymalną moc elektryczną, kiedy cena sprzedaŝy energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym jest wysoka. W okresach, gdy cena energii elektrycznej jest niska (weekendy i pora nocna) układy kogeneracyjne pracują ze zmniejszoną mocą elektryczną lub są zatrzymane. W weekendowym trybie pracy zasobnika ciepła w elektrociepłowni komunalnej wyróŝnia się dobowy cykl pracy w poniedziałki, wtorki i środy, natomiast w czwartki i piątki produkuje się taka ilość ciepła (gorącej wody) wystarczająca do pokrycia potrzeb cieplnych w okresie weekendu (piątek poniedziałek 6.00) [12]. Jeśli średnie zapotrzebowanie mocy cieplnej w okresie weekendu w sezonie grzewczym wynosi np. 70 MW i magazynowanie ciepła następuje przy róŝnicy temperatur 45 K to wymagana pojemność netto zbiornika powinna wynosić m 3. Jest to ogromna pojemność i z tego względu weekendową eksploatację zasobników ciepła realizuje się poza sezonem grzewczym (w okresie letnim). Przy średnim zapotrzebowaniu mocy cieplnej do przygotowywania ciepłej wody uŝytkowej 20 MW, wymagana objętość zasobnika wynosi m 3 (przyrost temperatury w zasobniku 45 K). 4. Funkcja wodnego akumulatora ciepła Akumulator ciepła (zasobnik ciepła) jest wykorzystywany dla krótkoterminowego magazynowania energii z wykorzystaniem wody jako nośnika ciepła. Wagowa zawartość wody w zbiorniku pozostaje stała, niezaleŝnie od wartości zgromadzonej w niej energii. Ładowanie akumulatora (rys.1) następuje przez doprowadzenie ciepłej wody do górnej części zbiornika przy jednoczesnym odprowadzaniu takich samych ilości wody zimnej z dolnej części zbiornika. Rozładowanie akumulatora (rys.2) polega na odprowadzaniu wody gorącej z górnej części zbiornika wodnego i jednoczesnym doprowadzeniu wody zimnej do dolnej części zbiornika. Aby w pełni wykorzystać objętość zbiornika utrzymuje się w nim grawitacyjną separację ciepłej i zimnej wody tzw. stratyfikację termiczną z termokliną. W zbiorniku o objętości wewnętrznej V B moŝna zmagazynować ciepło, którego wartość moŝna obliczyć z zaleŝności [9,10] :

5 woda z rurociągu zasilającego sieć cieplną t 1 t 2 do rurociągu wody powrotnej sieci cieplnej wysokość zbiornika t 2 t 1 strefa przejściowa temperatura Rys.1. Ładowanie zasobnika ciepła woda do rurociągu zasilającego sieć cieplną t 1 t 2 woda z rurociągu powrotnego sieci cieplnej wysokość zbiornika t 2 t 1 strefa przejściowa temperatura Rys.2. Rozładowanie zasobnika ciepła

6 gdzie: Q = VB ( ρ c t ρ c t ), (1) max V B - objętość wewnętrzna zbiornika, t 1 - temperatura wody w górnej części zbiornika, t 2 - temperatura wody w dolnej części zbiornika, c 1 - ciepło właściwe wody o temperaturze t 1, c 2 - ciepło właściwe wody o temperaturze t 2, ρ 1 - gęstość wody o temperaturze t 1, ρ 2 - gęstość wody o temperaturze t Jednostkowa zdolność magazynowania ciepła w 1 m 3 gorącej wodzie moŝna obliczyć z zaleŝności q = ρ 1 c 1 t 1 ρ 2 c 2 t 2 (2) Jednostkową zdolność magazynowania ciepła w 1 m 3 wody w funkcji róŝnicy temperatur w górnej i dolnej części zbiornika przedstawiono na rys.3. jednostkowa zdolność magazynowania w MJ/m przyrost temperatury wody w zasobniku w K Rys.3. Jednostkowa zdolność magazynowania ciepła w zasobniku wodnym Przy ładowaniu zbiornika z idealną stratyfikacją termiczną w postaci termokliny o temperaturze górnej strefy t 1, dolnej- t 2 (rys.1, rys.2) magazynowane w czasie ciepło moŝna obliczyć z zaleŝności

7 Q str ( c t c t ), = m (3) τ w której : m - masowe natęŝenie przepływu wody w rurociągu zasilającym zbiornik, τ - okres ładowania. Okres ładowania zbiornika τ zawiera się w zakresie: M 0 τ m w którym : M = V B ρ 1. (5) gdzie : M masa wody w zbiorniku o objętości V B. (4) Zbiornik z pełnym zmieszaniem warstw wody (bez stratyfikacji termicznej) moŝe zmagazynować w tym samym okresie ciepło [8] = m m ( c t c t ) 1 exp, Q mix τ (6) M a stopień wykorzystania objętości zasobnika ciepła (stopień naładowania zasobnika) Q mix m = 1 exp τ. (7) Qmax M Porównanie stopnia wykorzystania objętości zbiornika zasobnika ciepła z pełną stratyfikacją i z pełnym mieszaniem w funkcji bezwymiarowego czasu przedstawiono na rys.4. Stratyfikacja termiczna w zbiorniku zaleŝy głównie od objętości i kształtu zbiornika, lokalizacji króćców wlotowych (dyfuzorów) i wylotowych (konfuzorów) oraz sposobu rozprowadzania wchodzącej do zbiornika wody, a takŝe od właściwego rozmieszczenia wewnątrz zbiornika elementów potencjalnie zaburzających stratyfikację. W prawidłowo zaprojektowanej i eksploatowanej instalacji stratyfikacja w zbiorniku wytwarza się

8 samorzutnie i jej brak świadczy o niewłaściwej konstrukcji zbiornika lub źle dobranych parametrach eksploatacyjnych. Wykorzystanie objętości zbiornika do magazynowania ciepła zmniejsza się prawie o 40 % przy pełnym zmieszaniu zawartości wody w zbiorniku. 1,2 stopień naładowania 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 z termokliną pełne mieszanie 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 względny okres ładowania Rys.4. Stopień wykorzystania objętości zasobnika ciepła z stratyfikacją termiczną w odniesieniu do zbiornika z pełnym zmieszaniem zawartości [9]. Uproszczone układy cieplne z zasobnikiem atmosferycznym przedstawiono na rys.5, a z zasobnikiem ciśnieniowym wyporowym na rys.6 [3,4]. 5. Elektrownie i elektrociepłownie gazowe Na rys. 7 przedstawiono turbozespół gazowy do produkcji energii elektrycznej, jego sprawność wytwarzania energii elektrycznej wynosi (26 28) %. Dla poprawienia sprawności wytwarzania energii elektrycznej do układu wprowadza się odzysk ciepła ze spalin do podgrzewania powietrza wlotowego do komory spalania (rys.8) i sprawność układu wzrasta do (32 34) %. Ze względu na wysoką cenę gazu ( powoduje niekorzystną relację kosztu wytwarzania jednostki energii elektrycznej do kosztu tej jednostki energii zawartej w gazie) gazowe układy stosuje się do wytwarzania mocy regulacyjnej w systemie elektroenergetycznym. Otrzymuje się wówczas dodatkowe środki finansowe za gotowość do produkcji mocy elektrycznej, co poprawia efektywność ekonomiczną tych układów. Szczytowa (czy regulacyjna) praca układu wymaga zamówienia odpowiedniej mocy w gazie i wykorzystywana jest tylko w części doby. Praca szczytowa turbozespołu gazowego

9 turbina gazowa zasobnik ciepła odbiory ciepła G kocioł odzyskowy pompa sieciowa Rys.5. Atmosferyczny zbiornik wody zasobnikiem ciepła (akumulatorem ciepła) w systemie ciepłowniczym pompa obiegowa turbina gazowa zasobnik ciepła odbiory ciepła kocioł odzyskowy G sieć cieplna stabilizator ciśnienia pompy wody sieciowej Rys.6. Ciśnieniowy zbiornik wody zasobnikiem ciepła (akumulatorem ciepła) w systemie ciepłowniczym. Włączony równolegle do źródła ciepła

10 K S TG G KG Rys.7. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego S- sprężarka, K - komora spalania turbiny gazowej, TG turbina gazowa, KG komin gorący, G generator elektryczny gaz ziemny KG R KS S TG G Rys.8. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego z regeneracją ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, TG turbina gazowa, R wymiennik regeneracyjny ciepła, KG komin gorący, G generator elektryczny

11 SR S KS TG Zasobnik gazu ziemnego G KG Rys.9. Uproszczony schemat bloku gazowego szczytowego z zasobnikiem gazu S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, TG turbina gazowa, KG komin gorący, G generator elektryczny w części gazowej, SR stacja redukcyjna ciśnienia gazu, Moc w gazie w m 3 /h szczyt poranny szczyt Rys.10. Przykład przebiegu zapotrzebowania mocy w gazie w okresie doby

12 powoduje zamawianie duŝej wartości mocy w gazie (m 3 /h) w okresach szczytowych produkcji energii elektrycznej, wprowadzenie do układu zasobnika gazu współpracującego z szczytowym turbozespołem gazowym (rys.9) umoŝliwia zamawianie znacznej mniejszej mocy w gazie, a tym samym mniejszej opłaty za zamawianą moc w gazie. Dobór wielkości zasobnika gazu dokonuje się na podstawie poboru mocy gazu przez turbozespół gazowy w okresie doby. PoniŜej przedstawiono w uproszczonej formie obliczenie jego wielkość dla turbozespołu gazowego o mocy elektrycznej 52,7 MW. Przebieg zapotrzebowania mocy cieplnej w gazie przedstawiono na rys. 10. Wykorzystując zasobnik gazu moŝna zamiast m 3 /h zamawiać 5000 m 3 /h Jaka powinna być objętość zasobnika gazu? Masa magazynowanego gazu ziemnego GZ 50 w tym przykładzie wynosi = m 3, co przy gęstość metanu 16/22,4 = 0,655 kg/m 3, masa metanu do zmagazynowania kg. Do dalszych obliczeń objętości zasobnika gazu GZ50 przyjęto 12 % rezerwę i masa zmagazynowanego gazu G = kg. Z równania Clapeyrona V = R T 1 G/(p 2 - p 1 ) (8) gdzie : stała gazowa metanu R = 519, 7 J/(kg K), temperatura gazu w rurociągu 20 o C, T 1 = 293 K róŝnica ciśnień w rurociągu zasilającym i na wlocie do turbiny ( p 2 - p 1 ) w Pa. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 1, a ich graficzny obraz na rys.11. Tabela 1. Objętość zasobnika gazu do wyrównywania zapotrzebowania na moc w gazie w zaleŝności od róŝnicy ciśnień w rurociągu zasilającym i komorze spalania turbiny gazowej RóŜnica ciśnień w MPa Objętość zbiornika w m

13 pojemność zasobnika w m róznica ciśnień w MPa Rys.11. Wymagana objętość zbiornika gazu w funkcji róŝnicy ciśnień rurociąg zasilający komora spalania turbiny gazowej Przy róŝnicy ciśnienia w rurociągu zasilającym i w komorze spalania 6 MPa wymagana objętość zbiornika wynosi ok m 3 co przy jednostkowym koszcie zbiornika 1000 zł/m 3 całkowity koszt zbiornika wyniesie zł. Roczne korzyści z tytułu obniŝenia wartości zamawianej mocy w gazie wyniosą (opłatę za moc w gazie zaczerpnięto z taryfy PSG) ( ) m 3 /h 0,0158 zł/(m 3 /h )/h) 4000 h/a = zł/a, co stanowi, Ŝe prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych na budowę zbiornika wynosi 2,5 lat. JeŜeli w lokalizacji elektrowni gazowej istnieje zapotrzebowanie na ciepło, to moŝna wykorzystać ciepło zawarte w spalinach wylotowych z turbiny gazowej w kotle odzyskowym (rys. 12). Wprowadzenie do układy turbozespołu gazowego pracującego szczytowo zasobnika ciepła powoduje, Ŝe wytwarzana energia elektryczna produkowana będzie w skojarzeniu, co dodatkowo promuje wytwarzaną energie elektryczną Ŝółtymi świadectwami pochodzenia, których wartość na Towarowej Giełdzie Energii osiąga wartość 128 zł/mwh. By równieŝ

14 KS S TG G KG KZ KO Zasobnik ciepła OC Rys.12. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego z zasobnikiem ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, TG turbina gazowa, KG komin gorący, KZ komin zimny, KO kocioł odzyskowy, G generator elektryczny w części gazowej, OC odbiór ciepła KS SR S TG G Zasobnik gazu ziemnego KG KZ KO Zasobnik ciepła OC Rys.13. Uproszczony schemat turbozespołu gazowego szczytowego z zasobnikami : gazu i ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, TG turbina gazowa, KG komin gorący, KZ komin zimny, KO kocioł odzyskowy, G generator elektryczny w części gazowej, SR stacja redukcyjna ciśnienia gazu, OC odbiór ciepła

15 obniŝyć wartość zamawianej mocy w gazie do układu moŝna wprowadzić zasobnik gazu (rys.13). Energia elektryczna w elektrociepłowni gazowo-parowej (rys.14) wytwarzana jest w tak zwanej kogeneracji o wysokiej sprawności (> 80 %) i cała jej wartość jest promowana Ŝółtymi certyfikatami. MoŜliwa jest równieŝ dalsza modyfikacja układów gazowoparowych w tzw. układach kombinowanych (rys.15, rys.16). Budowa układów wynika z warunków na rynkach energii elektrycznej i ciepła, oferujących za dostawę usług określone świadczenia, co przy duŝych czasach wykorzystania mocy zainstalowanej czyni, Ŝe układy technologiczne wykorzystujące gaz stają się efektywne ekonomicznie. Sprawność wytwarzania szczytowej energii elektrycznej w elektrociepłowniach współpracujących z zasobnikami ciepła jest taka sama jak sprawność jak układów technologicznych bez akumulacji ciepła [3,4]. W elektrociepłowniach gazowych współpracujących z zasobnikami ciepła dobowe zuŝycie energii chemicznej paliwa w okresie doby jest praktycznie takie same jak bez zasobnika. Zasobnik ciepła umoŝliwia produkcję elektrycznej mocy szczytowej. 6. Podstawowe tryby pracy układów technologicznych wytwarzających energię elektryczną i ciepło W praktyce moŝna wyróŝnić dwa podstawowe tryby pracy układów technologicznych wytwarzających energię elektryczną i ciepło: praca układu zorientowana na pokrycie zapotrzebowania na ciepło, układ technologiczny pracuje według krzywej zapotrzebowania na ciepło, niedobory ciepła pokrywane są przez urządzenia szczytowe. Produkcja ciepła w źródle jest mniejsza lub równa zapotrzebowaniu a energia elektryczna jest generowana do sieci bądź z niej kupowana. praca układu zorientowana na pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną, układ technologiczny pracuje według krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną a niedobory ciepła generowane są z kotłów szczytowych a w przypadku wyposaŝenia układu w zasobnik ciepła z zasobnika. Występujące nadwyŝki ciepła nie są rozpraszane do otoczenia a mogą być magazynowane w zasobniku

16 KS gaz ziemny GZ 50 TP S TG WP NP G1 G2 KG KO WPC WPS KZ OC Rys.14. Uproszczony schemat bloku gazowo-parowego S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, TG turbina gazowa, KG komin gorący, KZ komin zimny, KO kocioł odzyskowy dwuciśnieniowy, TP turbina parowa, WP cześć wysokoprężna turbiny parowej, NP. część niskoprężna turbiny parowej, G1 generator elektryczny w części gazowej, G2 generator elektryczny w części parowej, WPC wymiennik podstawowy ciepłowniczy, WPS wymiennik ciepłowniczy szczytowy, OC odbiór ciepła

17 gaz ziemny GZ 50 KS SR S KS TG WP TP NP S TG G Zasobnik gazu ziemnego G1 G2 KG KG KO WPC WPS KZ OC Rys.15. Uproszczony schemat bloku kombinowanego : blok gazowo-parowy, turbozespół gazowy szczytowy z zasobnikiem gazu S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, SR stacja redukcyjna ciśnienia gazu, TG turbina gazowa, KG komin gorący, KO kocioł odzyskowy dwuciśnieniowy, TP turbina parowa, WP cześć wysokoprężna turbiny parowej, NP. część niskoprężna turbiny parowej, G1 generator elektryczny w części gazowej, G2 generator elektryczny w części parowej, G generator w części szczytowej, WPC wymiennik podstawowy ciepłowniczy, WPS wymiennik ciepłowniczy szczytowy, OC odbiór ciepła

18 gaz ziemny GZ 50 KS SR S KS TG WP TP NP S TG G Zasobnik gazu ziemnego G1 G2 KG KG KO Zasobnik ciepła KO WPC WPS KZ KZ OC Rys.16. Uproszczony schemat bloku kombinowanego : blok gazowo-parowy, turbozespół gazowy szczytowy z zasobnikami gazu i ciepła S- sprężarka, KS - komora spalania turbiny gazowej, SR stacja redukcyjna ciśnienia gazu, TG turbina gazowa, KG komin gorący, KZ komin zimny, KO kocioł odzyskowy dwuciśnieniowy, TP turbina parowa, WP cześć wysokoprężna turbiny parowej, NP. część niskoprężna turbiny parowej, G1 generator elektryczny w części gazowej, G2 generator elektryczny w części parowej, G generator w części szczytowej, WPC wymiennik podstawowy ciepłowniczy, WPS wymiennik ciepłowniczy szczytowy, OC odbiór ciepła

19 7. Opcje eksploatacyjne akumulatora ciepła W układach zorientowanych na pokrycie zapotrzebowania na ciepło odpowiednio dobrana wielkość zasobnika ciepła umoŝliwia pracę układu w okresie doby ze stałą wartością mocy cieplnej (średnią dobową mocą cieplną) (rys.17). Praca układu przy średniej dobowej mocy cieplnej charakteryzuje się stałą wartością sprawności. ZuŜycie paliwa pierwotnego w układach z zasobnikiem ciepła i bez zasobnika róŝni się nieznacznie i czyni, ze nie opłacalne jest stosowanie w nich zasobników ciepła. względna moc cieplna 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 moc cieplna wytwarzana w układzie technologicznym z zasobnikiem ciepła zapotrzebowanie mocy cieplnej godzina Rys.17. Zasobnik ciepła w układzie wytwórczym zorientowanym na pokrycie zapotrzebowania na ciepło Na rys.18 przedstawiono pracę układu z turbiną gazową zorientowaną na pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną w szczytach obciąŝenia elektrycznego. W tych układach wytwarzana moc elektryczna jest skorelowana z mocą cieplną i w odpowiedniej skali mają podobne przebiegi.

20 względna moc 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 maksymalna produkcja energii elektrycznej w szczytach obciąŝeń elektrycznych zapotrzebowanie mocy cieplnej moc elektryczna moc cieplna w źródle z turbiną gazową godzina Rys.18. Praca elektrociepłowni z turbiną gazową, kotłem odzyskowym i zasobnikiem ciepła W elektrociepłowniach z turbinami gazowym wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej moŝe być realizowane jedynie przy stałej wartości współczynnika skojarzenia, co jest niekorzystne z punktu widzenia wykorzystania moŝliwości udziału w rynku energii elektrycznej. Podstawowymi funkcjami akumulatora są wówczas: - dostarczanie ciepła odbiorcom o zmiennym zapotrzebowaniu dla umoŝliwienia jednostce kogeneracyjnej maksymalnej produkcji energii elektrycznej w okresach maksymalnych cen; jest to szczególnie waŝne w sieciach o taryfach zróŝnicowanych w strefach czasowych; - umoŝliwienie jednostce kogeneracyjnej produkcji energii elektrycznej aŝ do pełnego naładowania akumulatora ciepła w okresach deficytu mocy elektrycznej w systemie elektroenergetycznym - akumulator ciepła moŝe ograniczyć (częściowo lub całkowicie) straty w przychodach gdy wytwarzanie energii elektrycznej następuje po kosztach wyŝszych niŝ cena sprzedaŝy dla źródeł skojarzonych utrzymywanych w pracy wyłącznie dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło; - akumulatory o duŝej pojemności cieplnej mogą umoŝliwić całkowite wyłączenie jednostek wytwórczych w okresach weekendowych, gdy ceny energii elektrycznej są najniŝsze;

21 - akumulacja moŝe kompensować dzienne wahania obciąŝenia cieplnego, redukując przez to częstotliwość uruchomień i zatrzymań jednostek oraz ograniczając wykorzystanie droŝszych źródeł ciepła w okresach szczytowego zapotrzebowania; - w szczególności ograniczyć moŝna wartość cieplnej mocy zainstalowanej (wyznaczanej dla najzimniejszego dnia ) przy zastosowaniu odpowiednio dobranego akumulatora (akumulator ciepła moŝe być wykorzystany jako urządzenie do pokrywania szczytowego zapotrzebowania ciepła (rys.19) [10]) - moŝliwość wyeliminowania pracy kotłów szczytowych w okresach przejściowych, - zbiornik atmosferycznego akumulatora ciepła moŝe zapewniać ciśnienie statyczne w lokalnej sieci cieplnej i słuŝyć jako zbiornik wyrównawczy. - moŝliwość wyeliminowania pracy turbozespołu gazowego na tzw. goracy komin w okresie letnim. Analiza celowości zastosowania akumulatorów zasobników ciepła wymaga rozwaŝenia aspektów funkcjonowania kogeneracji zarówno na rynku ciepła jak i energii elektrycznej. Przy właścicielskim rozdzieleniu źródeł i sieci cieplnej istotna jest jakość współpracy spółek wytwórczych i dystrybucyjnych w ustalaniu struktury kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych oraz podziału korzyści, wynikających z akumulacji ciepła. Ciepło z urządzeń szczytowych (kotłów wodnych) Ciepło z zasobnika ciepła moc cieplna z kotła odzyskowego(turbin gazowych) Ciepło wytwarzane w skojarzeniu Rys.19. Przykład rocznego uporządkowanego wykres zapotrzebowania mocy cieplnej z podaną realizacją jego pokrycia

22 8. Tendencje rozwojowe W ostatnim dwudziestoleciu podjęto liczne prace badawcze i rozwojowe, ukierunkowane na efektywność kosztową zasobników ciepła. Prace te objęły równieŝ rozwiązania alternatywne: magazynowanie ciepła w otwartych zbiornikach wody, skałach czy gruncie. Problemem okazało się utrzymywanie parametrów jakościowych wody, akceptowalnych w sieci grzewczej. Wykonano równieŝ badania studialne moŝliwości sezonowej akumulacji ciepła. Ogólny wniosek jest negatywny: uzyskiwane oszczędności nie uzasadniają podjęcia inwestycji. Czynnikiem pobudzającym rozwój układów akumulacji ciepła jest rozwój mechanizmów rynku i znaczne wahania cen energii elektrycznej. Przyrost dochodów ze sprzedaŝy energii elektrycznej w elektrociepłowni przy zastosowaniu akumulacji ciepła w odniesieniu do układu bez jej stosowania wynosi (4,5 7,0) % [13]. Wykorzystanie akumulacji ciepła w elektrociepłowni zmniejsza o (10 12) % projektowaną moc cieplną istniejącego źródła lub o tyle samo zwiększyć moc cieplną źródła istniejącego [9,10,13]. Istotny jest równieŝ postęp w konstrukcji tańszych rozwiązań technicznych oraz moŝliwości adaptacji wycofywanych z uŝytku zbiorników ropy i produktów ropopochodnych. 9. Wnioski Czynnikiem pobudzającym rozwój układów akumulacji ciepła w elektrociepłowniach jest rozwój mechanizmów rynku i znaczne wahania cen energii elektrycznej w okresie doby, Akumulacja ciepła w elektrociepłowniach daje moŝliwość zwiększenia efektywności wytwarzania poprzez : - zmniejszenie nierównomierności obciąŝeń bloków ciepłowniczych i kotłów wodnych, - zwiększenie elastyczności pracy elektrociepłowni, - wzrost produkcji energii elektrycznej w szczytowych okresach zapotrzebowania energii elektrycznej, - moŝliwość wyeliminowania pracy kotłów szczytowych w okresach rzejściowych,

23 - zbiornik akumulatora ciepła moŝe zapewniać ciśnienie statyczne w lokalnej sieci cieplnej i słuŝyć jako zbiornik wyrównawczy, akumulacja ciepła w elektrociepłowniach zmniejsza projektowaną moc cieplną planowanego źródła w stosunku do zapotrzebowania lub o tyle samo zwiększa moc cieplną źródła istniejącego, w doborze wielkości zasobnika w danym układzie technologicznym naleŝy kierować się kryteriami ekonomicznym, a optymalizacja termodynamiczna ma jedynie charakter informacyjny. Literatura [1] [2] Danish Board of District Heating. News from DBDH. Energy & Environment. Journal number 1/2004 [3] Wojciechowski H.: Zasobniki ciepła w skojarzonych układach wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Instal (Warszawa) nr 5, s [4] Wojciechowski H.: Zasobniki ciepła jako środek poprawy efektywności układów technologicznych. W: Ciepłownictwo Prawo - zarządzanie - ekonomia. IV Międzynarodowa Konferencja. [Izba Gospodarcza Ciepłownictwo Polskie], Wrocław, 28 lutego-2 marca s [5] Wołoszyn M., A., Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie jednorodzinnym.coib, Warszawa,1991 [6] Malko J., Wojciechowski H., Zasobniki ciepła jako narzędzie do efektywnego wykorzystania układów kogeneracyjnych na rynku energii elektrycznej i ciepła. Informacja INSTAL nr 3, 2005, s.44 [7] Munser H., Wojciechowski H., Wodne wyporowe zasobniki ciepła w systemie energetycznym. Gospodarka Paliwami i Energią nr 9/1991, s. [8] Wojciechowski H., Wärmespeicher in Anlagen mit regenerativer Energiequellenausnutzung. VII Internationales Symposium : Wärmeaustausch und erneubare Energiequellen. Szczecin Świnoujście 7 9 września 1998 [9] Wojciechowski H., Zasobniki ciepła w systemach grzewczych : marzenie czy konieczność?. Informacja INSTAL nr 10, 1996, s.4 [10] Wojciechowski H., Magazynowanie ciepła. Ogólnopolskie Forum Mała Energetyka Zakopane Kościelisko, września 1997

24 [11] Skorek J., Kalina J., Gazowe układy ko generacyjne. WNT, Warszawa 2005 [12] Zuwała J., Tryb weekendowy pracy zasobnika ciepła w elektrociepłowni komunalnej analiza energetyczna. Archiwum Energetyki. Tom XXXIV (2005), nr 1, [13] Lichota J., M., Czy akumulacja ciepła w sieci ciepłowniczej jest opłacalna. Rynek Energii, nr 5(42), 2002, s.36 SMALL SCALE GAS FUELLED CHP WITH THERMAL AND GAS STORAGE DEVICES Part I In the first part of the paper proposals of some technological solutions of hybrid thermodynamical processes are presented from points of view technical possibilities and existing and proposed regulations of energy services markets. This approch will enable to identify the best available technologies for energy storage in form of two energy carriers : heat and gas. Second part of presentation will be focused on the economical efficiency of the solutions Combining ideas of CHP, CCGT and energy storage arrangements. Streszczenie W pierwszej części artykułu przedstawione są rozwiązania technologiczne hybrydowych procesów termodynamicznych z punktu widzenia moŝliwości technicznych oraz istniejących i przewidywanych regulacji na rynkach usług energetycznych. Takie podejście umoŝliwi zidentyfikowanie najlepszych dostępnych technologii uwzględniających magazynowanie energii w postaci dwóch jej nośników : ciepła i gazu. W drugiej części artykułu będzie zwrócona uwaga na efektywność ekonomiczną układów łączących cechy kogeneracji, rozwiązań gazowo-parowych oraz układów magazynowania energii.