Wykorzystanie pojemności cieplnej dużych systemów dystrybucji energii Leszek Pająk, Antoni Barbacki pajak.leszek@gmail.com AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska al. Mickiewicza, 30-059 Kraków Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN Pracownia Odnawialnych Źródeł Energii ul. Wynickiego 7 31-261 Kraków
Cel analiz: Celem analiz była ocena wpływu wykorzystania pojemności cieplnej rozległego systemu dystrybucji energii na zużycie i koszty zakupu nośników energii (chodzi głównie o nośniki nieodnawialne) Analizowane źródło energii było źródłem hybrydowym. Hybrydowe źródła energii źródła składające się z dwóch lub większej ilości źródeł wykorzystujących różne nośniki energii w celu zabezpieczenia określonych potrzeb uzależnionych od wymogów odbiorcy energii. Zgodnie z definicją zawartą w Dictionary of energy (Cleveland i Morris 2006) elementem składowym hybrydowych źródeł energii mogą być również komponenty magazynujące energię, np. zasobniki z wodą magazynujące energię słoneczną lub zasobniki cwu (ciepłej wody użytkowej).
Idea i cel stosowania źródeł hybrydowych Charakterystyka dynamicznego zapotrzebowania na moc jest determinowana przez odbiorcę energii. W jej obrębie można wydzielić obszary charakterystyczne dla efektywnego stosowania poszczególnych technologii przetwarzania nośników pierwotnych w energię finalną. moc (P) obszar o niskiej wartości współczynnika wykorzystania mocy (<0,5) obszar o wysokiej wartości współczynnika wykorzystania mocy (>0,5) czas ( ) Schemat prezentujący wydzielenie obszarów o wysokiej i niskiej wartości współczynnika wykorzystania mocy (za granicę podziału uznano moc dla której wartość współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej przekracza 0,5) Q Q max P 8760h 0 h max P d 8760 h TEZA dotycząca celowości stosowania źródeł hybrydowych: Stosując różne technologie wykorzystania energii (źródła hybrydowe) w pewnych sytuacjach, osiągnąć można lepsze efekty pracy niż w przypadku stosowania pojedynczego źródła energii. 3
Przykład oceny efektywności stosowania źródeł hybrydowych moc [W] 6,E+06 5,E+06 4,E+06 3,E+06 2,E+06 1,E+06 0,E+00 gaz ziemny GEOTERMIAgeotermia PODSTAWOWE ŹRÓDŁO ENERGII droga inwestycyjnie, a tania w eksploatacji geotermia pracuje z wyrównaną mocą w czasie produkując dużą ilość energii 22 1118 2214 3310 4405 5501 6597 7693 czas [godz] GAZ ZIEMNY SZCZYTOWE ŹRÓDŁO ENERGII tani inwestycyjnie, a droższy w eksploatacji gaz ziemny pracuje w okresie szczytowego zapotrzebowania na moc w czasie produkując mniejszą ilość energii Harmonogram zabezpieczenia potrzeb odbiorcy energii zapewniający osiągnięcie minimalnych kosztów całkowitych jej wytwarzania 4
Dystrybucja energii Dystrybucja energii cieplnej wytwarzanej w źródle z pierwotnych nośników odbywa poprzez ciepłociągi, w których medium pośredniczącym w wymianie ciepła jest woda obiegowa (uzdatniona) naziemne Konsekwencją ruchu wody obiegowej są nieodwracalne straty energii objawiające się spadkiem ciśnienia i temperatury układane w ziemi (preizolowane lub w kanałach) 5
Schemat systemu energetycznego na przykładzie ciepłowni geotermalnej Strefy A, B i C stanowią również naturalne granice podziału kompetencji i odpowiedzialności poszczególnych podmiotów nadzorujących pracę dużych systemów ciepłowniczych. Strefa A to strefa źródła energii (ciepłownia, kotłowania), strefa B to strefa przedsiębiorstwa zajmującego się dystrybucją energii (często tzw. MPEC), a strefa C to instalacje odbiorców energii. 6
Sterowanie mocą dostarczoną P V c t t zasilania powrotu Sterowanie ilościowe, zmienia się strumień czynnika zależenie od potrzeb odbiorcy Sterowanie jakościowe, zmienia się temperatura czynnika zależenie od potrzeb odbiorcy Sterowanie pełne ilościowo-jakościowe, zmienia się strumień czynnika i jego temperatura zależenie od potrzeb odbiorcy Regulowanie czasem pracy V=const lub V=f( ), t zasilania =const lub t zasilania =f( ), zmienia się czas pracy. Bywa często stosowany lokalnie, np. grzeniki elektryczne lub głowice termostatyczne. W przypadku dużych instalacji może być wykorzystywany w przypadku wysokich temperatur zewnętrznych. 7
MODEL - Schemat obliczeń opis
Przykład zastosowania systemu instalacja geotermalna na Podhalu (PEC Geotermia Podhalańska) przykład wykorzystania wód średniotemperaturowych o temp. ok. 90 o C w zintegrowaniu z kotłami gazowymi i olejowymi oraz z agregatami kogeneracyjnymi gazowymi
- Dysponując ekologicznym i tanim na etapie eksploatacji źródłem głównym w postaci źródła odnawialnego lub odpadowego zastanowić się można czy opłacalne będzie wprowadzanie do systemu dystrybucji nadmiarowej energii cieplnej, której obecnie nie zużywają odbiorcy a która może być wytwarzana. - Nadmiarowa energia zakumulowana w rurociągach może być wykorzystana jeżeli wzrośnie zapotrzebowanie na moc powyżej mocy głównego źródła energii. - Wzrosną straty mocy cieplnej - bo wzrośnie średnia temperatura wody w rurociągu. - Mogą wzrosnąć straty na przesyle bo rośnie strumień. powstaje pytanie: Czy to się opłaci?
Co uwzględnia model: Straty mocy cieplnej na przesyle
Opory przypływu
Własności czynnika roboczego woda sieciowa systemu dystrybucji Zmiany lepkości Zmiany ciepła właściwego Zmiany gęstości W funkcji ciśnienia i temperatury
Sterowanie dostarczoną mocą cieplną najczęściej jakościowe, przy korekcie strumienia SIEĆ Zaleca się by wartości wynosiła ok. 0,33 W niniejszych rozważaniach wartość ta ulegała zmianie w celu przeanalizowania wpływu strumienia czynnika roboczego na efekty pracy systemu energetycznego. Zakładano, że b może mieć inną wartość dla wody sieciowej (b=b s ) i wody krążącej w instalacji odbiorców (b=b o ). INSTALACJA
Analizowany przykład definicja odbiorcy
Analizowano instalację analogiczną do PEC Geotermia Podhalańska Zakładano stałą w czasie wydajność źródła geotermalnego Odległość źródła szczytowego od odbiorcy ok. 2 km
Analizowano dwa źródła energii pierwotnej: geotermię i gaz ziemny geotermia strumień wody 670 m 3 /h, temperatura 86 C (b=0,33) gaz ziemny sieciowy
długość rurociągu powrotnego 14 km (b=0,33) długość rurociągu zasilającego (z1) 12 km długość rurociągu zasilającego (z2) 2 km
(b=0,33)
(b=0,33)
Analizowane warianty obliczeń
Wariant najbardziej opłacalny zakłada podwyższony strumień wody w sieci dystrybucji energii przy standarotwych wartościach strumienia w instalacjach odbiorców
Wariant dla którego założono podwyższony strumień wody sieciowej i podwyżoną jej temperaturę cechował się mniejszymi oporami przepływu od wariantu bazowego.
Przyczyną mniejszych oporów przepływu przy podwyższonym strumieniu i temperaturze był spadek lepkości wody Dp=f(t)
Podsumowanie Sugerowane rozwiązanie ma sens w przypadku dostępu do źródeł energii odnawialnej lub odpadowej. Może być ona pozyskiwana i magazynowana przy niewielkich kosztach dodatkowych (związanych najczęściej ze zwiększoną konsumpcją energii elektrycznej). Można wówczas bez szkody dla środowiska zakumulować chwilowy nadmiar energii cieplnej w systemie przesyłowym i wykorzystać ją w sytuacji zwiększonego zapotrzebowania na moc. Przeprowadzone obliczenia potwierdzają możliwość osiągnięcia pozytywnych efektów wynikających z odpowiedniego sterowania mocą dostarczoną odbiorcy, a konkretnie ze sterowania strumieniem czynnika roboczego w rurociągach przesyłowych - wykorzystując efekt akumulacji energii cieplnej w wodzie obiegowej. Wykorzystanie tego efektu pozwala redukować: koszty wytwarzania energii cieplnej i konsumpcję nośników energii konwencjonalnej zużywanej przez źródła szczytowe w hybrydowych systemach ciepłowniczych wykorzystujących odpadowe i niektóre odnawialne źródła energii.
Dziękuję za uwagę Leszek Pająk, Antoni Barbacki pajak.leszek@gmail.com AGH WGGiIŚ, IGSMiE PAN