Zagospodarowanie ciepła odpadowego pochodzącego ze spalin gazogeneratorów i suszarni osadu na terenie COŚ

Transkrypt

1 Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON Zagospodarowanie ciepła odpadowego pochodzącego ze spalin gazogeneratorów i suszarni osadu na terenie COŚ Poznań, lipiec 2011

2 Str.2 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Spis treści: 1. Podstawa opracowania. 2. Wstęp. 3. Opis koncepcji zagospodarowania ciepła 3.1. Opis technologii 3.2. Podstawy teoretyczne ORC 4. Zagospodarowanie ciepła odpadowego w STSO 4.1. Bilans energii dla źródła STSO 4.2. Schemat ideowy dla STSO 4.3. Analiza efektywności pracy układu ORC dla STSO 4.4. Oferta rynkowa dla STSO 5. Zagospodarowanie ciepła odpadowego z silnika MWM TCG Dane początkowe 5.2. Zagospodarowanie ciepła odpadowego W1 z silnika MWM TCG układ ORC niskotemperaturowy Bilans energii dla źródła W Schemat przyłączania układu ORC dla źródła W Analiza termodynamiczna układu ORC dla źródła W Oferta rynkowa niskotemperaturowych systemów ORC 5.3. Zagospodarowanie ciepła odpadowego W2 z silnika MWM TCG układ ORC wysokotemperaturowy Bilans energii dla źródła W Schemat przyłączania układu ORC dla źródła W Analiza termodynamiczna układu ORC dla źródła W Oferta rynkowa systemów ORC dla źródła W2 6. Analiza stanu prawnego certyfikatów poświadczających pochodzenie energii i analiza rynku 7. Oszacowanie możliwych dochodów i kosztów eksploatacyjnych, nakładów inwestycyjnych i analiza opłacalności 8. Lokalizacja układów 8.1. Lokalizacja dla STSO Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

3 Str.3 AQUANET S.A. 98/MN/ Lokalizacja dla gazogeneratorni 9. Podsumowanie Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

4 Str.4 AQUANET S.A. 98/MN/ Podstawa opracowania Dokument został opracowany na podstawie oferty firmy Gen Set Serwis nr: MN/33/2013na wykonanie opracowania pt : Analiza możliwości zagospodarowania ciepła odpadowego pochodzącego ze spalin stacji gazogeneratorów i suszarni COŚ z dnia oraz umową z dnia sygnowaną przez Prezesa Zarządu AQUANET S. A. Pawła Chudzińskiego. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

5 Str.5 AQUANET S.A. 98/MN/ Wstęp W społeczeństwach nowoczesnej Europy powszechna jest świadomość konieczności racjonalnego gospodarowania zasobami naturalnymi. Jednym z aspektów jest ochrona środowiska wodnego przed wpływem zanieczyszczeń wytwarzanych przez naszą cywilizację. Szczegółowe przepisy wprowadzone przez UE dokładnie regulują tę problematykę. Lata edukacji i prac legislacyjnych spowodowały, że już nikt nie kwestionuje konieczności oczyszczania ścieków przed wprowadzeniem ich do wód. Stosowane obecnie technologie mechaniczno-biologicznego oczyszczenia ścieków dowiodły swojej wysokiej skuteczności usunięcie zanieczyszczeń ze ścieków nie stanowi już problemu. Oczywiście cały czas próbuje się metody te optymalizować i uzupełniać o kolejne stopnie doczyszczania. Działania te często są wymuszane przez kolejne zaostrzenia wymogów odnośnie parametrów na odpływie. Obecnie postęp w dziedzinie oczyszczania ścieków skierowany jest na poszukiwanie tańszych technologii, pozwalających na produkcję mniejszej ilości odpadów, zużywających mniejsze ilości energii lub umożliwiających wykorzystanie dostępnego potencjału energetycznego. Opłacalne oszczędności Efektywność energetyczna to racjonalne wykorzystanie energii, które w ogólnym bilansie opłaci się poszczególnym przedsiębiorstwom, gospodarkom krajowym, a w szerszej perspektywie nam wszystkich, niezależnie od szerokości geograficznej. Energia bowiem wszędzie zaczyna być towarem deficytowym, który trzeba szanować. EFEKTYWNOŚĆ SIĘ OPŁACA Zwiększając efektywność energetyczną zyskujemy we wszystkich istotnych dla przemysłu i społeczeństwa obszarach: ekonomii lepiej wykorzystując zasoby, ponosimy mniejsze koszty ich eksploatacji; ekologii ograniczamy negatywne dla środowiska naturalnego konsekwencje poprzez zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych; wizerunku przedsiębiorstwa efektywne energetycznie budują pozycję organizacji, które działają zgodnie z zasadami CSR (odpowiedzialności społecznej biznesu, której istotnym elementem jest odpowiedzialność za otoczenie zewnętrzne, w tym zwłaszcza otoczenie przyrodnicze); Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

6 Str.6 AQUANET S.A. 98/MN/2013 strategicznego bezpieczeństwa państwa, które umiejętnie wykorzystują energię, zmniejszają swoje uzależnienie od dostaw zewnętrznych, redukują potrzebę wydawania publicznych środków na budowę nowych elektrowni. [Waldemar Wierżyński] Konieczność racjonalnego gospodarowania energią dostrzegana jest również na szczeblach krajowych i promowana jest między innymi poprzez programy priorytetowe, takie jak Efektywne Wykorzystanie Energii", który wprowadzony został przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Położono w nim szczególny nacisk na: wdrażanie systemów zarządzania energią i jej jakością instalowanie analizatorów parametrów sieci oraz wdrażanie systemów inteligentnych sieci (Smart Grids) dla zarządzania sieciami elektroenergetycznymi w obiektach przedsiębiorstw; racjonalizację zużycia energii elektrycznej poprzez wykorzystanie energooszczędnych systemów napędowych, systemów sterowania napędami np. poprzez instalacje łagodnego rozruchu, energooszczędne silniki, falowniki do pomp i wentylatorów, energooszczędne sprężarki i systemy ich sterowania, wewnętrzne sieci przesyłowe energii, w tym ograniczenie przepływów mocy biernej, energooszczędne systemy oświetleniowe, prostowniki napędów sieciowych, nisko stratne transformatory w lokalnych systemach elektroenergetycznych i wewnętrznych sieciach dystrybucyjnych; racjonalizację zużycia ciepła i gazu poprzez zastosowanie izolacji i odwadniania systemów parowych, systemów geotermalnych, małych turbin wiatrowych, kolektorów słonecznych, pomp ciepła, termomodernizację budynków, rekuperację i odzyskiwanie ciepła z procesów i urządzeń, decentralizację rozległych sieci grzewczych, wykorzystanie energii odpadowej, budowę lub modernizację własnych (wewnętrznych) źródeł energii [NFOSiGW]. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

7 Str.7 AQUANET S.A. 98/MN/ Opis koncepcji zagospodarowania ciepła Do większości procesów technologicznych w przemyśle wykorzystywany jest prąd elektryczny i ciepło lub w wyniku ich prowadzenia następuje produkcja ciepła. Ciepło po wykorzystaniu w procesie technologicznym posiada w sobie energię, lecz ze względu na niskie parametry (temperaturę i ewentualnie ciśnienie) dotychczas było oddawane do atmosfery bez dalszego wykorzystania. W wyniku zastosowanych technologii na COŚ następuje nadprodukcja ciepła, które nie jest w całości wykorzystywane. W gazogeneratorni i STSO ze względów technicznych najlepszym rozwiązaniem byłoby zagospodarowanie ciepła na terenie oczyszczalni, gdyż jego transport jest nieekonomiczny. Po przeprowadzeniu analizy energetycznej stwierdzono, że optymalnym rozwiązaniem jest wykorzystanie nadmiarowego ciepła do produkcji prądu w układzie (układach) ORC Opis technologii Skrót ORC pochodzi od pierwszych liter angielskich wyrazów ORGANIC RANKINE CYCLE i jest powszechnie używaną nazwą dla układów opisanych w niniejszym opracowaniu. Należy podkreślić, że spotyka się także określenie LTC (Low Temperature Cycle szczególnie w Rosji) a w Stanach Zjednoczonych i części Europy powszechnie używa się określenia elektrownia binarna (Binary Power Plant) szczególnie w odniesieniu do układów ORC zasilanych energią geotermalną. Ostatnia nazwa dla tego typu układów jest całkowicie niewłaściwa jednak przyjęło się jej stosowanie, dlatego czytelnik powinien wiedzieć, że nazwy te używane są często jako synonimy. Prąd elektryczny, w większości przypadków, wytwarzany jest w siłowniach parowych zasilanych różnego rodzaju paliwami kopalnymi (lub jądrowym), które pracują wg obiegu porównawczego Clausiusa Rankine a. Schemat podstawowych urządzeń oraz cykl przemian czynnika roboczego przedstawiono na rysunku 1 i 2. W obiegach takich czynnikiem roboczym jest woda. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

8 Str.8 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Rys. 1 Schemat instalacji elektrowni konwencjonalnej (TG- turbogenerator, S- skraplacz, P pompa, W wytwornica pary, PRZ - przegrzewacz) Rys 2. Cykl przemian termodynamicznych konwencjonalnej siłowni parowej Opisane powyżej elektrownie zasilane są najczęściej energią, pochodzącą ze spalania paliwa, klasyfikowaną jako wysokotemperaturowa. Podstawowym kierunkiem rozwoju energetyki konwencjonalnej jest realizacja obiegu siłowni parowej wodnej w coraz większym zakresie temperatur. Ponieważ proces skraplania odbywa się poprzez odprowadzanie energii do otoczenia, to głównie temperatura otoczenia określa zakres ciśnień przy jakich proces ten będzie się odbywał i obecnie niewiele można polepszyć w tym względzie. Natomiast ciągle otwartą kwestią jest wyciąganie obiegu w kierunku wyższych temperatur. Nie zawsze jednak dysponuje się energią o wysokiej temperaturze, czego szczególnym przypadkiem jest energia geotermalna i energia odpadowa. Zastosowanie opisanej powyżej elektrowni z siłownią na parę wodną zasilanej Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

9 Str.9 AQUANET S.A. 98/MN/2013 strumieniem nośnika ciepła o temperaturze na przykład 100 C jest nieefektywne i trudne w realizacji, ponieważ znaczna część instalacji musiałaby pracować przy ciśnieniu niższym niż ciśnienie otoczenia. Ponadto zastosowanie turbiny parowej wodnej dla elektrowni niskotemperaturowych wiąże się z dużymi wymiarami ostatnich stopni turbinowych oraz niską sprawnością wewnętrzną turbiny. W praktyce dla układów o małych mocach (energetyka rozproszona) i zasilanych nisko i średniotemperaturową energią korzystniej jest stosować inne niż woda czynniki robocze, najczęściej substancje organiczne Podstawy teoretyczne Budowa oraz zasada działania siłowni ORC jest bardzo podobna do klasycznej siłowni parowej. Schemat siłowni ORC przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3 Uproszczony schemat siłowni typu ORC (TG- turbogenerator, S- skraplacz, P pompa, HE wymiennik(i) ciepła wytwornica pary) Podstawowe elementy wchodzące w skład takiego układu: - wytwornica pary, w której następuje izobaryczne podgrzanie cieczy czynnika roboczego, jego odparowanie i czasami przegrzanie pary; - turbozespół, w którym następuje rozprężanie pary w turbinie - skraplacz, w którym następuje izobaryczne schłodzenie pary czynnika oraz skroplenie; Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

10 Str.10 AQUANET S.A. 98/MN/ pompa czynnika roboczego, której zadaniem jest podnoszenie ciśnienia cieczy czynnika roboczego od ciśnienia skraplania do ciśnienia, przy którym realizowany jest proces doprowadzania ciepła. Aby układ mógł poprawnie pracować niezbędne jest źródło energii, które po doprowadzeniu do wymiennika ciepła HE przekazuje energię organicznemu czynnikowi roboczemu, powodując jego podgrzanie i odparowanie. Czynnik organiczny o odpowiednich parametrach kierowany jest do turbiny parowej, w której energia kinetyczna czynnika poprzez generator prądu elektrycznego umieszczonego na wspólnym wale przetwarzana jest na prąd elektryczny. Czynnik organiczny po rozprężeniu kierowany jest do kolejnego wymiennika ciepła, w którym następuje jego skroplenie. Skropliny przetłaczane są pompą obiegową do odpowiedniego ciśnienia, przy którym po podgrzaniu i odparowaniu powstaje para nasycona sucha i cykl zamyka się. W celu określenia mocy i sprawności elektrowni ORC niezbędna jest znajomość parametrów źródła ciepła (dane wejściowe), które będzie zasilać układ ORC to znaczy: - rodzaj nośnika ciepła (woda, spaliny, gorące powietrze, inne) - temperatura początkowa nośnika ciepła oraz minimalna temperatura końcowa tego nośnika; - strumień (masowy lub objętościowy) nośnika ciepła. Istotne są także parametry płynu wykorzystywanego do chłodzenia skraplacza. W przypadku elektrowni, ciepło ze skraplacza odprowadzane jest do otoczenia. Najczęściej stosowanym medium chłodzącym jest powietrze. W sytuacji gdy lokalizacja inwestycji na to pozwala może być stosowane chłodzenie wodą z rzeki lub jeziora. Kwestię chłodzenia zarówno powietrzem jak i wodą należy zawsze rozpatrywać indywidualnie, w zależności od dostępnych zasobów (woda) i warunków klimatycznych (woda, powietrze). Jedną z zalet obiegów ORC jest możliwość zastosowania różnych mediów roboczych, dopasowanych do parametrów pracy elektrowni ORC. Wykonano wiele analiz teoretycznych na temat jaki czynnik wybrać i jakimi kryteriami kierować się przy wyborze. Zasadniczą wadą technologii ORC jest natomiast jej nowość Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

11 Str.11 AQUANET S.A. 98/MN/2013 technologiczna. W chwili obecnej oferta rynkowa układów ORC jest bardzo ograniczona i sprowadza się do układów kilku zaledwie firm. 4. Zagospodarowanie ciepła odpadowego w STSO Po przeanalizowaniu obiegu ciepła w instalacji STSO i konsultacjach z przedstawicielem zamawiającego określono potencjalnie dwa źródła ciepła do wykorzystania w układzie ORC ciepło z wody chłodzącej kondensatory ciepło zawarte w spalinach kotła gazowego. Ciepło z chodzenia wody kondensatorów ze względu na: stosunkowo niską moc jaka była by możliwa do uzyskania w układzie ORC niską temperaturę wody duże skoki mocy w przeciągu 24h zostało odrzucone jako nieefektywne do zastosowania w układzie ORC. Jedynym źródłem ciepła możliwym do wykorzystania w układzie ORC zakwalifikowano ciepło zawarte w spalinach kotła gazowego Bilans energii dla źródła STSO Zamawiający przekazał następujące dane początkowe dla jednej linii suszarniczej: moc kotła gazowego Q nom, k =2907 kw nominalna średnia moc kotła podczas normalnej pracy Q śr, k 1800 kw średnia ilość zatrzymań i startów instalacji - średnio 3 krotnie w miesiącu temperatura spalin - po wyczyszczeniu kotła, pomiar w kominie na wyjściu z kotła, ok. 320 st. C (pomiar na kotle linii C), w przypadku zabrudzenia kotła temp. przekraczała 400 st. C strumień spalin - wg projektu nominalny przepływ m nom, s =4306 kg/h Na podstawie powyższych danych do dalszych obliczeń przyjęto, że podczas normalnej pracy kotła do dyspozycji pozostaje strumień spalin na podstawie zależności (1) m śr, s =2499 kg/h, i został obliczony Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

12 Str.12 AQUANET S.A. 98/MN/2013 m śr,s Q śr,k m nom,s (1) Q nom,k Przyjęto, że średnia początkowa temperatura spalin kierowanych do zasilania układu ORC wynosi T s1 =360 C. Ponadto do obliczeń przyjęto (wariantowo) końcową temperaturę spalin T s2 od 90 do 130 C oraz średnie ciepło właściwe spalin poziomie 1,36 kj/kgk. c p, s na Strumień ciepła doprowadzanego do układu ORC Q dop określono z równania bilansu energii dla wymiennika ciepła spaliny/czynnik organiczny dop śr,s p,s Q m c T T (2) W obliczeniach uwzględniono sprawność wymiennika ciepła HE = 0,9. dop,rz dop HE s1 Q Q (3) W tabeli 1 zestawiono wielkości strumieni ciepła dyspozycyjnego teoretycznego oraz po uwzględnieniu sprawności wymiennika ciepła spaliny/czynnik organiczny w zależności od temperatury końcowej spalin T s2. s2 Q dop Q dop, rz Tab. 1 Zestawienie strumieni odpadowego ciepła dyspozycyjnego w zależności od końcowej temperatury spalin T s2 = 90 C T s2 = 100 C T s2 = 110 C T s2 = 120 C T s2 = 130 C Q dop [kw] 254,91 245,46 236,02 226,58 217,14 Q dop,rz [kw] 229,41 220,92 212,42 203,92 195, Schemat ideowy dla STSO Na rysunku 4 przedstawiono schemat ideowy włączenia układu ORC do istniejącego systemu STSO. Spaliny wychodzące z kotła kierowane są na wymiennik ciepła spalinyczynnik roboczy a następnie do komina skąd odprowadzane są do atmosfery. Czynnik roboczy w postaci pary napędza turbinę, która w połączniu z prądnicą produkuje prąd elektryczny. Rozprężony czynnik roboczy poprzez regenerator kierowany jest do skraplacza, gdzie następuje jego ochłodzenie (w regeneratorze) oraz skroplenie (w Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

13 Str.13 AQUANET S.A. 98/MN/2013 skraplaczu) Następnie pompa poprzez regenerator pompuje czynnik do wymiennik ciepła spaliny - czynnik roboczy. Rys. 4 Schemat ideowy układu ORC zasilanego ciepłem odpadowym z STSO 4.3. Analiza efektywności pracy układu ORC dla STSO Organiczne czynniki robocze stosowane w ORC mają zazwyczaj inny kształt krzywych nasycenia (rys. 5) niż woda (rys. 2). Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono cykl przemian realizowanych w siłowni ORC na przykładzie czynnika MDM (octamethyltrisiloxane). Czynniki te nazywane są czynnikami suchymi gdyż nie wymagają przegrzewania przed skierowaniem do turbiny a proces rozprężania (do ciśnienia skraplania p n2 =p n3 ) przebiega i kończy się w obszarze pary przegrzanej (proces n1-n2 na rys. 5). Dla tego rodzaju czynników para na wylocie z turbiny ma jeszcze stosunkowo wysokie parametry i w takich przypadkach stosuje się układy z wewnętrzną regeneracją ciepła (rys. 4). Regeneracja wewnętrzna polega na odzyskiwaniu energii od pary wylotowej z turbiny (n2-n2r) i kosztem tej energii podgrzewaniu cieczy czynnika roboczego (n4-n4r). Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

14 Str.14 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Rys. 5 Cykl przemian termodynamicznych realizowanych z użyciem czynnika organicznego suchego Rys. 6 Cykl przemian termodynamicznych realizowanych z użyciem czynnika organicznego suchego z zaznaczeniem regeneracji wewnętrznej ciepła Należy zwrócić uwagę na fakt, że zastosowanie regeneracji wewnętrznej powoduje zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła skraplacza (ale konieczne jest zastosowanie dodatkowego wymiennika ciepła regeneratora) oraz powoduje, że ciecz czynnika roboczego (za pompą, punkt n4) podgrzewana jest kosztem energii regeneracji a nie energią ze spalin. Tym samym temperatura końcowa spalin T s2 w układach z regeneracją (rys. 6) jest zazwyczaj wyższa niż w układach bez regeneracji (rys. 5). Przy projektowaniu układu należy także zwrócić szczególną uwagę na różnicę temperatur pomiędzy spalinami a czynnikiem organicznym w punkcie n5, co na rysunkach 5 i 6 oznaczono jako Ts, gdyż przyjęcie zbyt małej wartości Ts powoduje konieczność stosowania wymiennika ciepła o rozbudowanej powierzchni wymiany ciepła a tym samym podwyższa koszty inwestycyjne. Poniżej, w tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń efektywności pracy układu ORC dopasowanego do parametrów źródła energii. W obliczeniach tych uwzględniono sprawność wewnętrzną turbogeneratora T =0,8 oraz sprawność agregatu pompowego P =0,7, przyjęto temperaturę skraplania czynnika roboczego T n3 =35 C. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

15 Str.15 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Tabela 2. Wyniki obliczeń efektywności energetycznej układu ORC dla STSO (dla strumienia spalin z jednego kotła m śr, s = 0,694 kg/s i Ts1=360 C) Czynnik roboczy T s2 Ts Tem. pary Tem. Sprawność Moc Moc Moc [ C] [K] na wlocie pary za układu ORC generatora pompy *) netto do turbiny turbiną [%] [kwe] [kwe] [kwe] T n1 [ C] T n2 [ C] 90 19, ,30 26,43 61,66 1,03 60, , ,11 26,96 60,70 1,13 59,56 Toluen , ,55 27,45 58,36 1,24 57, , ,47 27,87 56,03 1,35 54, , ,63 28,21 56,60 1,46 55,14 MDM 173 **) 61, ,77 28,67 46,75 1,19 45,55 *) Moc pompy stanowi potrzeby własne elektrowni, przy czym w niniejszych obliczeniach nie uwzględniono mocy pompy służącej do przetłaczania wody chłodzącej skraplacz, którą także należy zaliczyć do potrzeb własnych elektrowni. **) W przypadku zastosowania czynnika roboczego MDM jego temperatura pary za turbiną wynosi T n2 =193,77 C, podgrzewanie cieczy odbywa się kosztem ciepła regeneracji aż do temperatury 167,84 C, tym samym końcowa temperatura spalin wynosi 172,8 C. Jak wynika z analizy wielkości zestawionych w tabeli 2 rodzaj zastosowanego czynnika roboczego ma wpływ na wielkość mocy siłowni. Ponadto dla każdego czynnika można dobrać optymalne parametry pracy siłowni, przy których moc siłowni jest najwyższa. Niestety wartości pokazane w tabeli 2 dotyczą układu zaprojektowanego dokładnie dla parametrów źródła, natomiast oferta rynkowa sprowadza się do kilku seryjnie produkowanych układów, z określonymi powierzchniami wymienników ciepła, przystosowanych do pracy na jednym, konkretnym czynniku roboczym i o określonej mocy turbogeneratora. Przegląd oferty rynkowej przedstawiono w punkcie Oferta rynkowa dla STSO Moduł ORC HE-WHG100 oferowany przez firmę Horus Energia charakteryzuje się mocą elektryczną netto 100 kwe. Strumień spalin niezbędny do zasilenia tego układu to ok kg/h, tym samym, nawet przy zasilaniu jednego układu ORC spalinami z trzech jednocześnie pracujących kotłów w STSO (3x2499 kg/h) moc źródła ciepła byłaby niewystarczająca. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

16 Str.16 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Najmniejszy zespół ORC oferowany przez firmę TUBODEN to układ o mocy elektrycznej 600kW, a tym samym szacowany strumień spalin to około kg/h. Na dzień dzisiejszy oferta rynkowa układów małej mocy jest niewielka, jednakże ze względu na rosnące koszty energii oraz coraz większa świadomość poszanowania energii można się spodziewać, że w przyszłości pojawi się produkt przystosowany do potrzeb tego typu źródeł ciepła jak na STSO. 5. Zagospodarowanie ciepła odpadowego z silnika MWM TCG Dane początkowe Na podstawie karty katalogowej silnika zasilanego gazem naturalnym do dyspozycji pozostaje ciepło odpadowe z układu HT oraz z układu spalin. Parametry układu HT: - wylot z silnika 92 C - wlot do silnika 78 C MWM TCG strumień 44,6 m 3 /h - moc Q HT =655 kw. Parametry układu spalin: - wylot z silnika (wlot na wymiennik odzysku ciepła ze spalin) 455 C - wylot z wymiennika odzysknicowego 120 C - strumień 5116 kg/h - moc Q Sp =533 kw. Zgodnie z przekazanymi danymi zakłada się, że zainstalowane będą cztery zespoły prądotwórcze w tym trzy pracujące niezależnie silniki o takich samych parametrach. Ponieważ w chwili obecnej moc cieplna z układu HT oraz spalin jest unoszona łącznie w strumieniu wody chłodzącej silnik i energia ta jest wykorzystywana do celów ogrzewczych, w dalszej części opracowania (pkt. 5.2) zostanie rozważona możliwość zastosowania układu ORC zasilanego takim właśnie źródłem (nazywanym dalej źródłem W1). Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

17 Str.17 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Istnieje także możliwość zastosowania układu ORC zasilanego strumieniem spalin z układu spalinowego. Źródło to w dalszej części będzie nazywane źródłem W2 a analiza efektywności energetycznej tego rozwiązania została przedstawiona w punkcie Zagospodarowanie ciepła odpadowego W1 z silnika MWM TCG układ ORC niskotemperaturowy Bilans energii dla źródła W1 Bilans energii dla źródła W1 będącego sumą energii z układu HT i układu spalin Q W1 Q Q (3) HT Sp Parametry źródła ciepła o mocy Q W1=1190 kw, wynoszą tak jak to zestawiono w tabeli 3. Tabela 3 Zestawienie parametrów źródła ciepła W1 Nośnik Temperatura ciepła na wlocie do silnika T w2 Temperatura na wylocie z silnika T w1 woda 70 C 90 C Schemat przyłączania układu ORC dla źródła W1 Dla źródła W1 schemat przyłączenia układu ORC do silnika gazowego przedstawiono na rysunku 7. Poniżej przedstawiono analizę termodynamiczną obiegu ORC zasilanego strumieniem wody unoszącym energią Q W1 z jednego silnika. Strumień nośnika energii (wody) obliczono z zależności W1 w pw w1 w2 Q m c T T (4) przyjęto: c p,w =4,19 kg/m 3 tym samym strumień wody gorącej m w =14,4 kg/s. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

18 Str.18 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Rys. 7 Schemat połączenia układu silnik gazowy elektrownia ORC wariant niskotemperaturowy W Analiza termodynamiczna układu ORC dla źródła W1 Tak jak wspomniano we wstępie, teoretycznie wiele istniejących substancji mogłoby być użytych jako czynniki robocze w układach ORC. W tabeli 4 przedstawiono wartości teoretyczne mocy i sprawności układów ORC dla różnych czynników organicznych dla parametrów źródła podanych w tabeli 3. Do obliczeń przyjęto, że proces skraplania czynnika odbywa się w temperaturze 21,1 C (jest to projektowa temperatura skraplania czynnika roboczego dla układów firmy Horus Energia). Tabela 4 Zestawienie sprawności i mocy pomp oraz turbin dla układów ORC z wybranymi czynnikami roboczymi Rodzaj czynnika Sprawność Moc turbiny Moc pompy Moc netto organicznego termiczna obiegu (z uwzględnieniem (z uwzględnieniem sprawności wewnętrznej 75%) sprawności wewnętrznej 70%) % kwe kwe kwe R227ea 8,59 112,75 10,56 102,19 R245fa 9,23 112,54 2,76 109,78 R1234ze 9,12 118,45 9,95 108,50 MDM 8,81 104,89 0,06 104,83 toluen 9,61 114,50 0,11 Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

19 Str.19 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Jak wynika z tabeli 4 dla wszystkich czynników uzyskano podobne wartości sprawności termicznej obiegu ok. 9 %. Należy podkreślić, że sprawność obiegu Carnota, będącego teoretycznym ideałem obiegu silnikowego realizowanego w tym samym zakresie temperatur wynosi 14,25 %. Różnice w mocach turbin w zależności od zastosowanego czynnika organicznego (z uwzględnieniem sprawności wewnętrznej turbogeneratora na poziomie 75%) mieszczą się w granicach 6-7%. Natomiast zasadnicza różnica widoczna jest w mocy jaką należy doprowadzać do napędu pompy obiegowej czynnika roboczego. W przypadku czynników organicznych moc pompowania może stanowić nawet do 15% mocy osiąganej w turbinie. Jest to bardzo wysoka wartość, mająca zasadniczy wpływ na wielkość tzw. potrzeb własnych siłowni. Przedstawione w tabeli 4 wyniki analizy efektywności pracy obiegu dotyczą ściśle określonych warunków pracy i konkretnego czynnika roboczego. Niestety technologia ORC jest stosunkowo młodą technologią i oferta rynkowa komercyjnie dostępnych układów dostosowanych do zasilania energia niskotemperaturową jest bardzo ograniczona Oferta rynkowa niskotemperaturowych systemów ORC Poniżej przedstawiono dwie oferty firm działających na rynku. Należy jednak podkreślić, że każdy z opisanych układów ORC działa na jednym ściśle określonym czynniku organicznym. Rodzaj medium, jego skład i właściwości termodynamiczne są zazwyczaj tajemnicą handlową firmy a doświadczenie w projektowaniu i eksploatacji układu ORC z wybraną substancją jest informacją know-how o znaczącej wartości. Oferta firmy Turboden Pratt&Whitney Układ ORC o najmniejszej dostępnej mocy zaoferowany przez firmę Turboden Pratt&Whitney (o nazwą Pure Cycle) charakteryzuje się mocą 201 kwel (netto 187 kwel). Moduły te produkowane są w Stanach Zjednoczonych i pracują na czynniku R245fa. Parametry pracy tego układu zostały zestawione w tabeli 5. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

20 Str.20 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Tabela 5 Parametry układu Pure Cycle firma Turboden Pratt&Whitney Górne źródło energii (gorąca woda) Temperatura na zasilaniu układu ORC 90 C Temperatura na powrocie z układu ORC 79,6 Strumień 64,7 l/s Woda chłodząca skraplacz Temperatura na wlocie do skraplacza układu ORC 21 C Temperatura na wypływie ze skraplacza układu ORC 30 C Strumień 60,7 l/s Cena jednego układu wynosi ok i nie obejmuje wykonania układu doprowadzenia wody gorącej, podłączenia do systemu elektroenergetycznego, systemu chłodzenia skraplacz układ ORC oraz kosztu transportu. Zgodnie z ofertą firmy układ pracowałaby przy zasilaniu jej wodą gorącą o temperaturze 90 C, natomiast woda na wypływie z elektrowni miałaby temperaturę 80 C. Oznacza to, że należałoby strumień tej wody np. dochłodzić w chłodni (wentylatorowej) do temperatury 70 C (aby uzyskać pożądaną temperaturę wody powracającej do silnika tłokowego). Tym samym nawet przy jednoczesnej pracy wszystkich trzech silników MWM TCG2020 zainstalowanych w stacji gazogeneratorów znajdujących się na terenie AQUANET SA strumień wody gorącej jest zbyt mały (43,3 l/s) aby zasilić jeden układ Pure Cycle. Oferta firmy Horus energia Firma Horus energia oferuje układy ORC o mocy 100kWe zasilane wodą o temperaturze 109,4 C. Parametry pracy układu przedstawiono w tabeli 6. Tabela 6 Parametry układu HE-WHG100 firmy Horus Energia Górne źródło energii (gorąca woda) Temperatura na zasilaniu układu ORC 109,4 C Temperatura na powrocie z układu ORC 98,9 Strumień 68,1 l/s Temperatura skraplania 10 C Producent układu wymienia wiele zalet niniejszego rozwiązania: bezobsługowa wysokoobrotowa prądnica Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

21 Str.21 AQUANET S.A. 98/MN/2013 hermetycznie zamknięty układ prądnicy beztarciowe łożyska magnetyczne brak układu smarowania praca przy różnych prędkościach obrotowych prądnicy modułowa konstrukcja, jednak jak wynika z tabeli 6 parametry wody gorącej wymaganej do zasilania układu ORC są wyższe niż te dostępne w obecnym stanie w układzie wody gorącej chłodzącej silnik. Zastosowanie układu byłby możliwe np. po wprowadzeniu zmian w systemie odbioru ciepła z MWM TCG2020. Cena układu to ok 225 tyś Zagospodarowanie ciepła odpadowego W2 z silnika MWM TCG układ ORC wysokotemperaturowy Bilans energii dla źródła W2 Bilans energii dla układu spalin (źródło W2) m c (T T ) (5) QSp Sp p,sp Sp1 Sp2 W karcie katalogowej silnika MWM TCG2020 podano, że dla różnicy temperatur T Sp1 =455 C i T Sp2 =120 C oraz strumienia wynosi Q Sp m Sp = 1,42 kg/s (5116 kg/h) strumień ciepła =533 kw. Na podstawie zależności (5) wyznaczono, przyjętą do dalszych obliczeń, wartość ciepła właściwego spalin c p, Sp =1,12 kj/kgk Schemat przyłączania układu ORC dla źródła W2 Na rysunku 8 przedstawiono schemat przyłączenia wysokotemperaturowego układu ORC zasilanego ciepłem odpadowym o parametrach HT. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

22 Str.22 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Rys. 8 Schemat połączenia układu silnik gazowy elektrownia ORC wariant wysokotemperaturowy W Analiza termodynamiczna układu ORC dla źródła W2 Wykonano analizę termodynamiczną układu ORC zasilanego ze źródła W2. Do obliczeń przyjęto dwa czynniki robocze: toluen i MDM. Jako wyjaśnienie należy podać, że dla tak wysokiej temperatury źródła ciepła wybór czynników roboczych jest ograniczony gdyż większość organicznych substancji roboczych charakteryzuje się temperaturami krytycznymi w zakresie od 100 do 200 C. Wybranie takiej substancji do układu ORC zasilanego wysoką temperaturą oznaczałoby (i) niską sprawność gdyż odparowanie powinno następować przy parametrach podkrytycznych lub (ii) wymagałoby zastosowania układu na parametry nadkrytyczne, które na razie nie są dostępne w ofercie komercyjnej. Poniżej, w tabeli 7 przedstawiono wyniki obliczeń efektywności pracy układu ORC dopasowanego do parametrów źródła energii przy założeniu różnych temperatur końcowych spalin T Sp2. W obliczeniach tych uwzględniono sprawność wewnętrzną turbogeneratora T =0,8 oraz sprawność agregatu pompowego P =0,7, przyjęto sprawność wymiennika ciepła spaliny/czynnik organiczny 0,8. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

23 Str.23 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Tabela 7. Wyniki obliczeń efektywności energetycznej układu ORC dla źródła W2 (strumień spalin m Sp = 1,42 kg/s, c p, Sp =1,12 kj/kgk, T Sp1 =455 C, temperatura skraplania czynnika roboczego T n3 =35 C) Czynnik T Sp1 Q Tem. pary Tem. Sprawnoś Moc Moc Sp roboczy [ C] na wlocie pary za ć układu generatora pompy [kw] do turbiny turbiną ORC [kwe] [kwe] Toluen T n1 [ C] T n2 [ C[ [%] Moc netto [kwe] , ,8 28,49 136,83 4,44 132, , ,8 28,49 133,10 4,31 128, , ,8 28,49 125,14 4,19 121, , ,8 28,49 121,51 4,07 117, , ,8 28,49 117,89 3,95 113,9 MDM 173 *) 403, ,8 28,46 118,85 3,05 115,8 *) W przypadku zastosowania czynnika roboczego MDM jego temperatura pary za turbiną wynosi T n2 =193,77 C, podgrzewanie cieczy odbywa się kosztem ciepła regeneracji aż do temperatury 167,84 C, tym samym końcowa temperatura spalin wynosi 172,8 C. Z analizy teoretycznej wynika, że dla wysokotemperaturowego układu ORC zasilanego strumieniem spalin o temperaturze 455 C możliwe jest uzyskanie mocy ok. 122kWe. Tym samym zastosowanie systemu zagospodarowania ciepła odpadowego w wersji W2 (układ ORC wysokotemperaturowy zasilany tylko spalinami) jest znacznie korzystniejsze niż w wersji W1 (układ niskotemperaturowy zasilany strumieniem wody podgrzewanej w silniku) Oferta rynkowa systemów ORC dla źródła W2 Według oferty firmy Horus Energia w celu zasilenia układu ORC o mocy 100 kwel (układy o innej mocy nie są produkowane) wymagany jest: - strumień spalin 9 146kg/h o temperaturze początkowej 480 C lub - strumień spalin kg/h o temperaturze początkowej 425 C o średnim cieple właściwym 1,05 kj/kgk i temperaturze skraplania czynnika roboczego 21,1 C. Oznacza to, że możliwe jest zasilenie jednego 100kWe ego układu podłączonego do kolektora spalin zbierającego spaliny z dwóch silników. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

24 Str.24 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Oferta firmy Turboden nie jest możliwa do dopasowania, gdyż najmniejszy produkowany układ tej firmy ma moc 600 kwe netto i wymaga zasilania strumieniem ciepła na poziomie 3340 kw 6. Analiza stanu prawnego certyfikatów poświadczających pochodzenie energii i analiza rynku Obecnie w Polsce rozróżnia się kilka rodzajów certyfikatów poświadczających pochodzenie energii, których rodzaj uzależniony jest od pochodzenia tejże energii. Systemem wsparcia dla producentów energii ze źródeł odnawialnych, za produkcję tego rodzaju energii otrzymuje się tzw. świadectwa pochodzenia (zwane inaczej zielonymi certyfikatami), które są przyznawane producentom dodatkowo oprócz regularnego wynagrodzenia za sprzedaną energię elektryczną. Kwestię wydawania zielonych certyfikatów reguluje art. 9e ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne. Świadectwa pochodzenia (zielone certyfikaty) oraz świadectwa pochodzenia z kogeneracji, o których mowa w art. 9l ww. ustawy wydaje Prezes Urzędu Regulacji Energetyki. Świadectwo takie wydawane jest na wniosek przedsiębiorstwa energetycznego zajmującego się wytwarzaniem energii elektrycznej z odnawialnych źródłach energii, złożony za pośrednictwem operatora systemu elektroenergetycznego. Zaznaczyć należy, iż pod pojęciem wysokosprawnej kogeneracji ww. ustawa rozumie (art. 3 pkt. 38) - wytwarzanie energii elektrycznej lub mechanicznej i ciepła użytkowego w kogeneracji, które zapewnia oszczędność energii pierwotnej zużywanej w: - jednostce kogeneracji w wysokości nie mniejszej niż 10 % w porównaniu z wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła w układach rozdzielonych o referencyjnych wartościach sprawności dla wytwarzania rozdzielonego lub - jednostce kogeneracji o mocy zainstalowanej elektrycznej poniżej 1 MW w porównaniu z wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła w układach rozdzielonych o referencyjnych wartościach sprawności dla wytwarzania rozdzielonego. Producenci zielonej energii są umieszczani w tzw. Rejestrze Świadectw Pochodzenia (RŚP), w którym otrzymują swoje konto. RŚP jest prowadzony przez Towarową Giełdę Energii. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

25 Str.25 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Wprowadzony w Polsce system certyfikatów premiuje dodatkowo producentów energii wytworzonej w kogeneracji. Oprócz zapłaty za wyprodukowaną energię, a także zielonego certyfikatu, mogą oni otrzymać dodatkowo certyfikaty żółte, czerwone lub fioletowe. Żółtymi certyfikatami mogą być wynagradzani operatorzy jednostek kogeneracji o łącznej mocy nie przekraczającej 1 MWe. Czerwone certyfikaty mogą otrzymywać producenci energii w skojarzeniu w biogazowniach o mocy zainstalowanej przekraczającej 1 MW. Filetowe certyfikaty przeznaczone są dla producentów energii w jednostkach kogeneracyjnych opalanych metanem pozyskiwanym w kopalniach lub biogazem. Obowiązywanie świadectw pochodzenia zielonych i fioletowych jest zagwarantowane na kilka lat do przodu (rys. 9), obowiązywanie świadectw żółtych i czerwonych gwarantuje się tylko do 31 marca 2013 roku. Dodać należy, iż specjalnymi certyfikatami mogą być wynagradzani producenci biogazu rolniczego wtłaczanego do sieci, są to tak zwane certyfikaty brązowe oraz że specjalnym rodzajem certyfikatów są białe certyfikaty, które wprowadza ustawa z dnia 15 kwietnia 2011 r. o efektywności energetycznej z dnia 15 kwietnia 2011 r. (Dz.U. Nr 94, poz. 551). Rys. 9 Czasowy zakres obowiązywania istniejącego systemu praw majątkowych wynikających ze świadectw pochodzenia energii Na mocy art. 2 ust. 1 pkt 2 Ustawy o biokomponentach i biopaliwach ciekłych, fioletowe certyfikaty mogą otrzymać firmy łączące produkcję energii cieplnej z produkcją energii elektrycznej w elektrowni opalanej metanem uwalnianym i ujmowanym przy dołowych Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

26 Str.26 AQUANET S.A. 98/MN/2013 robotach górniczych w czynnych, likwidowanych lub zlikwidowanych kopalniach węgla kamiennego lub gazem uzyskiwanym z przetwarzania biomasy. Świadectwami fioletowymi, które będą wydawane przez Prezesa URE, będzie można handlować na Towarowej Giełdzie Energii, dzięki czemu firmy produkujące zieloną energię w kogeneracji będą mogły dodatkowo na niej zarabiać. Biorąc powyższe pod uwagę z eksploatacji układów ORC zainstalowanych na terenie gazogeneratorni można pozyskać certyfikaty zielone, a pozyskanie fioletowych ze względu na zmianę sposobu użytkowania ciepła zależy od interpretacji przepisów przez URE. Jeżeli zostanie uznane, że siłownia z gzogeneratorami i układem ORC są jednym obiektem to z bilansu energetycznego wynika, że układ nie spełnia przepisów ustawy. Natomiast w przypadku gdy układ ORC będzie uznany przez URE jako osobny obiekt zasilany ciepłem z gazogeneratornii to certyfikaty fioletowe będą przyznane, a rozliczenie ich będzie odbywać się na podstawie liczników ciepła. Obecnie energia cieplna wytworzona w gazogeneratorach w całości kierowana jest do układu centralnego ogrzewania oczyszczalni co łącznie z wytwarzaną energią elektryczną daje ponad 80% sprawności całego układu. W przypadku gdy połowa energii cieplnej (z wymiennika spaliny woda) zostanie przekierowana na układ ORC o sprawności 28% układ ten będzie miał sprawność poniżej 75% (około 69%) co zgodnie z opisanym powyżej pierwszym przypadkiem nie kwalifikuje do otrzymania certyfikatów fioletowych. 7. Oszacowanie możliwych dochodów i kosztów eksploatacyjnych, nakładów inwestycyjnych i analiza opłacalności Jak wynika z powyższego dla STSO analiza ekonomiczne nie jest zasadna ze względu na: bardzo małe moce jakie może osiągnąć siłownia z zastosowaniem układu ORC zasilanego ciepłem z spalin kotła gazowego, niską temperaturę wody z układu odzysku ciepła z kondensatorów i duże skoki mocy co uniemożliwia poprawne zasilanie układu ORC. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

27 Str.27 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Analiza ekonomiczna poniżej przedstawiona została zrobiona dla źródła W2 z silników gazowych TCG2020 ze względu na najwyższą możliwą moc do uzyskania. W analizie oznaczonej jako W2-1 wzięto pod uwagę zmniejszenie obecnych zysków z tytułu utraty fioletowych certyfikatów. Natomiast w analizie oznaczonej jako W2-2 zyski z tytułu sprzedaży fioletowych certyfikatów zostały zachowane. Analiza zgodnie z ustaleniami z zamawiającym odnosi się do układu pracy w sposób ciągły 3 gazogeneratorów i jednego będącego w gorącej rezerwie. Zainstalowanych będą 3 układy ORC z możliwością przekierowania spalin z gazogeneratora będącego w gorącej rezerwie. Założono też, że wykorzystanie energii cieplnej wyprodukowanej przez gazogeneratory w ciągu roku wynosi nie więcej niż 60%. Ze względu na opóźnienie w rozruchu układów ORC w stosunku do pracy zespołów prądotwórczych czas ich pracy nie przekroczy 7500 godzin w roku (zespoły prądotwórcze powinny przepracować około 8000 do 8500h w roku). Pomimo przeglądu wszystkich dostępnych układów ORC na rynku europejskim nie udało się dopasować gotowego produktu dlatego obliczenia oparto na obiegu teoretycznym. Cena takiego układu została wzięta na podstawie najbliżej pasującego układu najbardziej zbliżonego parametrami pracy. ANALIZA NPV DLA WARIANTU W2-1 Moc elektryczna netto układu ORC kw 117,40 Cena certyfikatu zielonego zł/kw 0,27 Cena energii czarnej zł/kw 0,25 Opłata przesyłowa zł/kw 0,04 Zakładany czas pracy układu w roku h 7 500,00 Przychód roczny dla jednego układu zł ,50 Rocznie Przychód roczny dla 3 układów zł ,50 Rocznie Koszty eksploatacji całego obiektu zł ,63 Rocznie Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

28 Str.28 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Zysk bez strat z tytułu utraty fioletowych certyfikatów zł ,88 Rocznie Straty poniesione z tytułu nie spełnienia kryteriów źródła wysoko skogenerowanego - fioletowe certyfikaty Moc cieplna jednego układu kw 1 100,00 Cena certyfikatu fioletowego zł/kw 0,050 Szacowane wykorzystanie ciepła pochodzącego z zespołów prądotwórczych % 60,00 Straty z wszystkich gazogeneratorów zł ,00 Rocznie Zysk po odjęciu strat zł ,88 Rocznie Koszt inwestycji Przebudowa instalacji istniejącej (przeniesienie chłodni, kominów itp.) zł ,00 Koszt nowego budynku (lekka konstrukcja) zł ,00 Koszty infrastruktury i instalacji (woda chłodząca, układy elektryczne itp.) zł ,00 Koszt układu dla wszystkich zespołów aproksymowana na podstawie ceny układu firmy HORUS zł ,00 Koszty inwestycji razem PV zł ,00 NPV Okres spłaty inwestycji (Static Payback Period) lat 5,07 Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

29 Str.29 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Okres zwrotu inwestycji uwzględniając inflację na poziomie 2,5% Koszt inwestycji wraz Lata z inflacją Zwrot Pozostało ,50 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,37 Jak widać z powyższego przychody pojawią się po 7 latach pracy układu ORC Stopa zwrotu K 0, Dyskontowanie Przyszła wartość zainwestowanych pieniędzy Lata FV n , , , , , , ,67 Stopa dyskontowa K 0, Dyskontowanie Lata PV , , , , , , ,03 Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

30 Str.30 AQUANET S.A. 98/MN/2013 NPV dla 6 lat ,15 Do obliczenia przyjęto stałą w latach przyszłą wartość dochodu Obliczenie dodatniego NPV NPV dla 12 lat ,65 ANALIZA NPV DLA WARIANTU W2-2 Moc elektryczna netto układu ORC kw 117,40 Cena certyfikatu zielonego zł/kw 0,27 Cena energii czarnej zł/kw 0,25 Opłata przesyłowa zł/kw 0,04 Zakładany czas pracy układu w roku h 7 500,00 Przychód roczny dla jednego układu zł ,50 Rocznie Przychód roczny dla 3 układów zł ,50 Rocznie Koszty eksploatacji całego obiektu zł ,63 Rocznie Zysk bez strat z tytułu utraty fioletowych certyfikatów zł ,88 Rocznie Koszt inwestycji Przebudowa instalacji istniejącej (przeniesienie chłodni, kominów itp.) zł ,00 Koszt nowego budynku (lekka konstrukcja) zł ,00 Koszty infrastruktury i instalacji (woda chłodząca, układy elektryczne itp.) zł ,00 Koszt układu dla wszystkich zespołów aproksymowana na podstawie ceny układu firmy HORUS zł ,00 Koszty inwestycji razem PV zł ,00 NPV Okres spłaty inwestycji (Static Payback Period) lat 2,37 Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

31 Str.31 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Okres zwrotu inwestycji uwzględniając inflację na poziomie 2,5% Koszt inwestycji wraz Lata z inflacją Zwrot Pozostało ,50 0, , , , , , , ,89 Jak widać z powyższego przychody pojawią się po 4 latach pracy układu ORC Stopa zwrotu K 0, Dyskontowanie Przyszła wartość zainwestowanych pieniędzy Lata FV n , , , ,81 Stopa dyskontowa K 0, Dyskontowanie Lata PV , , , ,66 NPV dla 6 lat ,72 Do obliczenia przyjęto stałą w latach przyszłą wartość dochodu Obliczenie dodatniego NPV NPV dla 5 lat ,11 Jak wynika z powyższego dodatnie NPV dla przypadku W2-1 pojawia się po 12 latach, a dla przypadku W2-2 po 5 latach. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

32 Str.32 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Przy obecnym sposobie obliczania współczynnika na podstawie, którego przyznawane są fioletowe certyfikaty wiele zależy od tego jak zostanie zinterpretowana ilość ciepła jaka jest przekazywana do układu ORC czy jest wykorzystywana w całości czy też zostanie uznane, że tylko w części z jakiej powstał prąd. 8. Lokalizacja układów 8.1. Lokalizacja dla STSO Ze względu, że poszczególne linie suszarnicze pracują niezależnie od siebie i ich ruch nie jest skorelowany dla każdej linii należy wykonać osobne układy ORC. Dla linii C przewidziano budynek naprzeciw istniejącej bramy południowej (pole A na rys. 10). Budynek powinien mieć powierzchnię 60m 2 o wymiarach 6mx10m. Spaliny doprowadzone do budynku powinny być rurociągiem napowietrznym ponad bramą kotłowni a następnie po ochłodzeniu powinny być wprowadzone do istniejącego komina. Dla dwóch układów ORC linii A i B przewidziano budynek o powierzchni 78m 2 naprzeciwko południowych bram istniejącego budynku STSO (pole B rys. 10). Podobnie jak dla linii C spaliny doprowadzone do budynku powinny być rurociągami napowietrznym ponad bramami kotłowni a następnie po ochłodzeniu powinny być wprowadzone do istniejących kominów. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

33 Str.33 AQUANET S.A. 98/MN/2013 A B Rys.10 Lokalizacja budynku dla instalacji układu ORC przy STSO Lokalizacja dla gazogeneratorni Układ ORC powinien być zainstalowany bezpośrednio przy gazogeneratorni tak aby droga spalin do wymiennika spaliny czynnik układu ORC była minimalna. Najbliższa lokalizacja to miejsce bezpośrednio za ścianą gazogeneratorni od strony południowej (pole B na rys. 11). W obecnej chwili znajdują się w tym miejscu chłodnie wentylatorowe, które należy przenieść w miejsce oznaczone literą A na ilustracji poniżej. Wydłużenie przewodów wodnych nie wpłynie na poprawność działania układów chłodzenia gazogeneratorów. Pomieszczenie układu ORC nie wymaga tak dużej wysokości jak gazogeneratornia, dlatego architektoniczne dach budynku może być przedłużony tworząc z istniejącym budynkiem jedną całość. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

34 Str.34 AQUANET S.A. 98/MN/2013 A B Rys11 Lokalizacja budynku dla instalacji układu ORC przy gazogeneratorni. Ze względu, że układ ORC będzie wykorzystywał ciepło z trzech jednocześnie pracujących gazogeneratorów należy istniejące kominy przenieść na elewację południową nowo powstałego budynku. Budynek powinien mieć powierzchnie około 140m 2 o wymiarach 8mx18m. 9. Podsumowanie 1. Teoretycznie, gdyby do każdego układu wykonać elektrownię ORC dopasowaną do parametrów źródła ciepła możliwe byłoby uzyskanie mocy elektrycznych zestawionych w tabeli 8. Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON

35 Str.35 AQUANET S.A. 98/MN/2013 Tabela 8 Zestawienie wartości mocy układów ORC wynikających z obliczeń teoretycznych (końcowa temperatura spalin 120 C) STSO W1 (zasilanie W2 (zasilanie gorącą wodą) strumieniem spalin) Strumień ciepła do 203, ,00 426,60 zagospodarowania kwt Moc układu ORC kwe dla 54,98 114,39 117,40 jednego kotła lub silnika tłokowego W chwili obecnej oferta rynkowa jest bardzo ograniczona, wykonanie układu na zamówienie wymaga indywidualnych negocjacji z firmą (niektóre firmy podają na swoich stronach internetowych informacje że istnieje taka możliwość). Należy liczyć się jednak z tym, że nawet przy seryjnie produkowanych układach koszt inwestycyjny będzie znaczny. Należy mieć jednak na uwadze, że technologia ORC jest jedną z najintensywniej rozwijających się technologii energetycznych i spodziewane jest, że w ciągu 2-3 lat wybór układów ORC pod względem mocy oraz rodzaju i parametrów źródła zasilającego elektrownię będzie znacznie większy. 2. Dla źródła STSO i dla źródła W1 na chwilę obecną nie ma możliwości zagospodarowania ciepła odpadowego ze względu na zbyt mały strumień ciepła tego źródła i temperaturę - nawet w sytuacji gdy zainstalowany zostałby jeden układ ORC zasilany spalinami z trzech kotłów STSO lub wodą gorącą z trzech jednocześnie pracujących silników (dla W1). Jednak ze względu na szybki rozwój technologii ORC na rynku należy na bieżąco śledzić pojawiające się rozwiązania gdyż jest wielce prawdopodobne, że pojawią się urządzana, których zainstalowanie będzie uzasadnione ekonomicznie. 3. Ze względu na wysoką innowacyjność zaproponowanych rozwiązań i mało rozpowszechnioną technologię ORC na rynku, przeprowadzanie klasycznego przetargu będzie bardzo trudne. Zamawiający (inwestor) powinien znaleźć niestandardowe rozwiązanie znalezienia wykonawcy i sfinansowania inwestycji. 4. Ostateczne koszty zakupu układu ORC mogą się różnić od przyjętych w analizie w pkt 7 ponieważ rynek nie oferuje idealnie dobranych układów ORC dla potrzeb Maciej Nowicki; Poznań; ul.rumiankowa 18, NIP ; REGON