Zastosowanie gazowych układów mikrokogeneracyjnych w budownictwie komunalnym

Zastosowanie gazowych układów mikrokogeneracyjnych w budownictwie komunalnym Gas supplied microcogeneration in municipal applications Źródła ciepła i energii elektrycznej JANUSZ SKOREK W pracy przedstawiono podstawowe uwarunkowania budowy gazowych układów mikrokogeneracyjnych µchp o mocach do 1 MWel w budynkach. Skupiono się na układach opartych o silniki tłokowe i mikroturbiny gazowe. Omówiono specyfikę na nośniki energii w różnych rodzajach budynków. Przedstawiono eksploatacyjne uwarunkowania doboru układu µchp pod kątem optymalizacji efektu energetycznego tzn. przede wszystkim i ekonomicznego. Wskazano na te parametry techniczne eksploatacyjne i cenowe które mają największy wpływ na uzyskiwane wskaźniki opłacalności. Słowa kluczowe: mikrokogeneracja paliwa gazowe budownictwo energetyka komunalna Paper presents basic circumstances of instalation gas supplied microcogeneration systems µchp in buildings. Microcogeneration system based on IC engines and microturbines of nominal electric power up to 1 MWel are considered. Specific features of heat and electricity demand in buildings are discussed. Exploitation aspects of µchp sizing to obtain optimal technical indices (primary energy savings PES total efficiency EUF minimalization of emissions) are then presented. Basic technical operational and financial parameters which influence economical effects are pointed out and discussed. Keywords: microcogeneration gaseous fuels Wstęp Budynki są jednymi z większych konsumentów nośników energii a tym samym konsumentów energii pierwotnej. Szacuje się że udział sektora budynków w całkowitym zużyciu energii pierwotnej w świecie jest rzędu 40% przy czym zdecydowana większość zużywanej energii pierwotnej dotyczy energii wyzwalanej podczas spalania paliw kopalnych z czym wiąże się oczywiście znacząca emisja substancji szkodliwych do środowiska. Największy potencjał zmniejszenia zużycia nośników energii w budynkach tkwi oczywiście po stronie zmniejszenia na te nośniki. Jedną z możliwości poprawy efektywności zaopatrzenia budynków w nośniki energii jest (oprócz oczywiście zmniejszenia na te nośniki) zasilanie ze źródeł kogeneracyjnych wbudowanych w strukturę budynku lub ich grupy. Z uwagi na fakt że są to źródła o stosunkowo małej mocy (zazwyczaj poniżej 1 MW el ) źródła te nazywane są mikrokogeneracyjnymi µchp. Takie przyjęcie górnej granicy mocy modułu mikrokogeneracyjnego µchp jest na przykład adekwatne do obowiązującego w Polsce stanu prawnego [10]. Za minimalny poziom mocy układu µchp można przyjąć moc najmniejszych urządzeń dostępnych w ofertach handlowych producentów tzn. około 20 kw el w przypadku gazowych silników tłokowych i mikroturbin gazowych. Przy tak zdefiniowanym zakresie mocy elektrycznej (20 kw 1 MW) za podstawowe urządzenie wytwórcze układu mikrokogeneracji można uznać: gazowe silniki tłokowe; mikroturbiny gazowe. Układy µchp mogą być również budowane w oparciu o silniki Stirlinga czy ogniwa paliwowe (zwłaszcza w przypadku układów o bardzo małych mocach np. poniżej 20 kw el ) ale oferta handlowa i doświadczenia eksploatacyjne są tu jeszcze ograniczone. Podstawowym paliwem układów µchp są paliwa gazowe (głównie gaz ziemny). Do obiektów w których najczęściej są instalowane układy µchp można zaliczyć: szpitale i ośrodki edukacyjne (szkoły uczelnie); centra sportowe (szczególnie lodowiska i baseny); obiekty użyteczności publicznej; obiekty biurowe; zakłady przemysłowe. prof.dr hab.inż. Janusz Skorek Politechnika Śląska Instytut Techniki Cieplnej Gliwice www.informacjainstal.com.pl 2/2017 5

Ź Ogólne uwarunkowania stosowania mikrokogeneracji w budynkach Decyzja o budowie źródła µchp musi być poprzedzona szczegółową analizą techniczną (i co nie mniej ważne analizą ekonomiczną efektywności inwestycji). Dobór właściwego a w szczegól ności optymalnego schematu technologicznego oraz mocy elektrycznej i cieplnej układu µchp jest zazwyczaj zadaniem dość złożonym. Analiza techniczna musi również brać pod uwagę cały szereg różnego rodzaju uwarunkowań natury formalno prawnej związanej z możliwością instalacji źródła µchp. Do ważniejszych etapów części technicznej całego studium wykonalności budowy układu µchp należy zaliczyć: a) określenie parametrów nośników energii oraz przebieg na nośniki energii (energia elektryczna gorąca woda c.o oraz c.w. chłód) b) określenie konfiguracji układu µchp względem zasilanego obiektu oraz zewnętrznych dostawców nośników energii W aspekcie zaopatrywania w nośniki energii małych odbiorców wydzielonych kluczowe znaczenie ma zazwyczaj problem wyprowadzenia generowanej mocy elektrycznej. Z punktu widzenia efektu ekonomicznego stosowania mikrokogeneracji celowe jest zastąpienie jak największej ilości energii elektrycznej kupowanej z sieci przez produkcję z modułu µchp. W praktyce może występować jednak brak zbilansowania mocy produkowanej przez moduł µchp i na moc elektryczną w budynku (u odbiorcy). Zbilansowanie mocy można przeprowadzić poprzez: wyprowadzenia nadwyżek mocy elektrycznej (najczęściej zmiennych w czasie) z modułu µchp do sieci zmiany obciążenia elektrycznego modułu µchp. W przypadku małych źródeł kogeneracyjnych typu µchp pracujących na potrzeby wydzielonego odbiorcy istotne znaczenie ma sposób połączeń i współpraca modułu µchp z odbiorcą i zewnętrznymi dostawcami/odbiorcami produkowanych nośników energii. U małych odbiorców (głównie typu komunalnego) zmiany w czasie na moc elektryczną są na tyle duże że żaden z wymienionych sposobów pracy modułu µchp nie jest stosowany (choć teoretycznie możliwy do realizacji technicznej). Praktycznie dopuszczalne są więc jedynie następujące rozwiązania: a) Cała moc elektryczna generowana przez moduł µchp jest zużywana przez odbiorcę końcowego (nie ma wyprowadzania mocy elektrycznej do sieci); b) Cała moc elektryczna generowana przez moduł µchp jest wyprowadzana do sieci poprzez wydzielone przyłącze. Odbiorca końcowy zapotrzebowanie na moc elektryczną pokrywa w całości z sieci. Z przytoczonych powodów nie jest więc praktycznie możliwa współpraca źródła µchp oraz odbiorcy (budynku) jako systemu odosobnionego elektrycznie a więc nie mającego połączenia z siecią elektroenergetyczną. Taki system wymagałby bowiem ciągłej pracy modułu µchp pod bardzo zmiennym obciążeniem elektrycznym co w większości przypadków nie jest możliwe z technicznego punktu widzenia. Ogólny schemat topologiczny układu zasilania wydzielonego odbiorcy (np. budynku) ze źródła µchp przedstawia rys. 1. Podstawowe urządzenia układów µchp Rys. 1 Schemat topologiczny układu zasilania budynku ze źródła µchp W założonym do rozważań zakresie mocy elektrycznej modułów µchp do zastosowań w budynkach tzn. od mocy minimalnej rzędu 20 kw El i mocy maksymalnej rzędu 1000 kw El można w zasadzie stosować zarówno gazowe silniki tłokowe jak i mikroturbiny gazowe. Przy analogicznym poziomie mocy elektrycznej urządzenia te różnią się jednak dość wyraźnie nominalnymi wskaźnikami energetycznymi (tabela 1). Oprócz nominalnej sprawności η el i mocy elektrycznej N el istotnym parametrem jest nominalna moc cieplna Q CHP. Nominalną moc elektryczną i cieplną modułu µchp wiąże ze sobą tzw. wskaźnik skojarzenia σ CHP : (1) Z punktu widzenia efektów kogeneracji wskazane jest aby nominalny wskaźnik skojarzenia przyjmował jak największą wartość. W takim bowiem przypadku przy danym strumieniu energii chemicznej paliwa moduł µchp ma większą moc elektryczną a tym samym większą produkcję energii elektrycznej. W praktyce im większa jest sprawność wytwarzania energii elektrycznej w module CHP η el tym większy jest także nominalny wskaźnik skojarzenia. Z danych przedstawionych w tabeli 1 wynika że przy porównywalnej mocy elektrycznej modułów µchp z silnikami tłokowymi 6 2/2017 www.informacjainstal.com.pl

i mikroturbinami gazowymi relacje pomiędzy głównymi wskaźnikami technicznymi są następujące: sprawność wytwarzania energii elektrycznej jest wyraźnie większa w przypadku gazowych silników tłokowych; wskaźnik skojarzenia σ jest podobny dla modułów o najmniejszej mocy a wyraźnie większy dla gazowych silników tłokowych w przypadku większych mocy; sprawność wytwarzania ciepła jest porównywalna w całym zakresie mocy elektrycznych w przypadku gazowych silników tłokowych; moc cieplna jest nieco większa dla mikroturbin gazowych. Specyfika na nośniki energii w budynkach Tabela 1 Podstawowe wskaźniki techniczne gazowych silników tłokowych i mikroturbin gazowych Silnik gazowy Rys. 2 Dobowy przebieg na moc elektryczną w budynku wielorodzinnym (na podstawie pomiarów) [1] Model Tedom Micro T30 Sprawność elektryczna η el Moc cieplna Q CHP kw % kw % Moduły µchp o mocy około 30 kw El Moc elektryczna N el Sprawność cieplna η QCHP σ = N el /Q CHP 30 301 51 512 059 Mikroturbina Capstone 30 30 26 56 51 054 Moduły µchp o mocy rzędu 1000 kw El Silnik gazowy Ecomax 9HE 888 428 873 421 102 Mikroturbina Brak - - - - - Źródła ciepła i energii elektrycznej Zasilanie budynków mieszkalnych ze źródeł kogeneracyjnych jest zagadnieniem bardzo interesującym ze względu na masowy charakter potencjalnych zastosowań układów CHP ale też jednocześnie jest to zagadnienie bardzo trudne do realizacji technicznej z uwagi na specyfikę na moc elektryczną i cieplną. Podstawowe specyficzne cechy przebiegu na nośniki energii w budynkach mieszkalnych to: bardzo duża dobowa zmienność na moc elektryczną bardzo duża dobowa zmienność na moc w ciepłej wodzie c.w. występujące tylko sezonowo zapotrzebowanie na moc cieplną do celów grzewczych stosunkowo niskie zapotrzebowanie średnie zarówno na moc elektryczną jak i cieplną (zależne oczywiście od wielkości budynku i liczby mieszkańców) ograniczone możliwości wyprowadzania mocy elektrycznej ze źródła kogeneracyjnego do sieci zewnętrznej. W celu doboru rodzaju i mocy nominalnej modułu kogeneracyjnego niezbędne jest określenie przebiegu na nośniki energii w skali całego roku. Im dokładniejsza jest informacja o przebiegu na nośniki energii tym większa jest szansa na optymalny dobór urządzenia kogeneracyjnego. Dla właściwego doboru systemu zasilania obiektów w ciepło i energię elektryczną konieczna jest znajomość nie tylko przewidywanych mocy maksymalnych ale również zmienności w czasie poszczególnych obciążeń. W praktyce jest to zazwyczaj zadanie trudne do realizacji. Główne Rys. 3 Wyniki pomiarów mocy czynnej w budynku biurowym dla 4 dni tygodnia (2 dni robocze i weekend) Rys. 4 Dobowa zmienność na moc elektryczną dla kompleksu uniwersyteckiego www.informacjainstal.com.pl 2/2017 7

Ź problemy w ocenie zmienności w czasie na ciepło i energię elektryczną mogą wynikać z wielu powodów z których najistotniejsze to: a) obiekt może być dopiero w fazie projektowania (nie istnieje fizycznie) b) w istniejącym obiekcie nie jest prowadzony (lub jest prowadzony w ograniczony sposób) monitoring zużycia nośników energii. Z punktu widzenia zasilania odbiorcy z wydzielonego źródła µchp bardzo istotne znaczenie ma przebieg dobowej zmienności na moc elektryczną. Miarą tej zmienności może być stosunek maksymalnego i minimalnego dobowego na moc elektryczną ζ : ; (2) Rys. 5 Przebieg średniego na moc cieplną w budynku w ciągu roku Rys. 6 Przebieg średniego na moc cieplną w budynku biurowym w ciągu roku Przykładowe przebiegi dobowej zmienności na moc elektryczną w budynku wielorodzinnym (40 mieszkań) przedstawiono na rys. 2 (wykres sporządzony na podstawie rzeczywistych danych pomiarowych). Zapotrzebowanie na moc elektryczną zmienia się w zakresie od około 19 kw do 63 kw (ζ = 33). Przykładowe przebiegi dobowej zmienności na moc elektryczną w budynku o większym zapotrzebowaniu na moc elektryczną tzn. w budynku biurowym przedstawiono na rys. 3 (wykres sporządzony na podstawie rzeczywistych danych pomiarowych). Zapotrzebowanie na moc elektryczną zmienia się w zakresie od około 30 kw do 120 kw (ζ = 4). Przykładowe przebiegi dobowej zmienności na moc elektryczną w kompleksie budynków tworzących kampus uniwersytecki (budynki uczelni domy akademickie zaplecze socjalne itd) dla czterech reprezentatywnych dni w roku przedstawiono na rys. 4 (wykres sporządzony na podstawie rzeczywistych danych pomiarowych) [5]. Zapotrzebowanie na moc elektryczną zmienia się oczywiście silnie w skali dobowej ale również silnie zależy od dnia tygodnia (dzień roboczy weekend) i miesiąca (dni zimowe dni letnie przerwa wakacyjna). Z przedstawionych przebiegów na moc elektryczną wynika że im mniejsze jest średnie zapotrzebowanie na moc elektryczną w obiekcie tym Rys. 8 Dobór nominalnej mocy cieplnej modułu µchp (PES max) Rys. 7 Bilans ciepła w układzie mchp dla typowego przebiegu na ciepło grzewcze większe jest dobowe zróżnicowanie na moc elektryczną liczone jako stosunek maksymalnego i minimalnego na moc elektryczną ζ = N el max /N elmin ; Dla budynków wielorodzinnych grup budynków budynków biurowych kompleksów edukacyjnych itd. jest to zazwyczaj ζ < 4. W przypadku pojedynczego budynku jednorodzinnego może to być jednak nawet ζ > 50! 8 2/2017 www.informacjainstal.com.pl

W przypadku zaopatrzenia budynków w ciepło zmienność w czasie mocy cieplnej ma zazwyczaj dwojaki i przeciwstawny charakter zależnie od rodzaju zużywanego ciepła: Ciepło grzewcze (c.o.): mała zmienność dobowa duża zmienność sezonowa (sezon grzewczy i poza sezonem grzewczym) Ciepła woda (c.w.): duża zmienność dobowa mała zmienność sezonowa. Ten charakter zmian na moc cieplną c.o. oraz c.w. stwarza istotne problemy dla efektywnego wykorzystania ciepła produkowanego przez źródła µchp. Przy ocenie na moc cieplną w warunkach rzeczywistych trudno jest też przeprowadzić oddzielne pomiary na moc do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody jeżeli zapotrzebowanie to występuje równocześnie (w sezonie grzewczym). Zazwyczaj nie są bowiem zainstalowane oddzielne układy pomiarowe. Przykładowe przebiegi dobowej zmienności na moc cieplną w budynku wielorodzinnym (113 mieszkańców) przedstawiono na rys. 5 [11]. Maksymalne chwilowe (obliczeniowe) zapotrzebowanie na moc do celów grzewczych wynosi około 160 kw [11] i jest ponad dwukrotnie większe od maksymalnego miesięcznego średniego wynoszącego około 56 kw w styczniu. Średnie zapotrzebowanie na moc do celów grzewczych w sezonie grzewczym (227 dni) wynosi około 352 kw i jest około 45 razy mniejsze od maksymalnego obliczeniowego wynoszącego około 160 kw. Średnie (wyznaczone obliczeniowo) zapotrzebowanie na moc cieplną w ciepłej wodzie c.w. wynosi około 118 kw co stanowi około: 73 % maksymalnego tzn. obliczeniowego na moc grzewczą (160 kw) 335% średniego na moc do celów ogrzewania w sezonie grzewczym (352 kw). Bardzo ciekawie przedstawia się roczne zużycie ciepła grzewczego tzn. c.o. oraz c.w.: ogrzewanie: 6907 GJ (65% całkowitego zużycia ciepła); ciepła woda: 3734 GJ (35% całkowitego zużycia ciepła); łącznie c.o. oraz c.w.: 10641 gj (100%). Oznacza to że zapotrzebowanie na ciepłą wodę ma bardzo znaczący udział w bilansie potrzeb cieplnych budynku (ponad 30% zużycia ciepła!). Przykładowe przebiegi dobowej zmienności na moc cieplną w budynku biurowym przedstawiono na rys. 6 (wykres sporządzony poprzez uśrednienie miesięcznego zużycia ciepła w budynku). Zapotrzebowanie na średnią moc cieplną zmienia się w zakresie od około 8 kw (miesiące letnie; tylko ciepła woda użytkowa) do około 145 kw. Tak niskie zapotrzebowanie na moc w c.w. wynika stąd że większość ciepłej wody w budynku jest wytwarzana w oparciu o autonomiczne podgrzewacze elektryczne. Źródła ciepła i energii elektrycznej Eksploatacyjne uwarunkowania doboru układu µchp w budynkach Określenie przebiegu na nośniki energii jest pierwszym etapem procedury doboru układu µchp. W drugim etapie konieczne jest określenie rodzaju (silnik tłokowy lub mikroturbina gazowa) i parametrów nominalnych modułu µchp. Dobór urządzenia wytwórczego i jego parametrów nominalnych (moc elektryczna moc cieplna) ma ogromny wpływ na wskaźniki eksploatacyjne całego układu mchp (zarówno energetyczne jak i ekonomiczne). W zależności bowiem od poziomu nominalnej mocy cieplnej modułu mchp i przebiegu na moc cieplną u odbiorców zmieniają się ilości (udziały) poszczególnych strumieni ciepła w całkowitym bilansie układu mchp (rys. 7): ciepła użytkowego dostarczanego z modułu mchp; ciepła traconego do otoczenia z modułu mchp; ciepła użytkowego wytwarzanego w kotłach rezerwowo-szczytowych. Na optymalny dobór urządzenia wytwórczego (rodzaj parametry) ma też wpływ podstawowy cel jaki zamierza się osiągnąć poprzez budowę źródła µchp. W praktyce najczęściej jest to: a) Maksymalizacja efektu energetycznego (np. maksymalizacja wskaźnika oszczędności energii pierwotnej PES); b) Maksymalizacja efektu ekonomicznego (np. maksymalizacja wartości NPV). Podstawowym pozytywnym efektem energetycznym stosowania kogeneracji jest możliwość zmniejszenia zużycia energii pierwotnej (głównie energii chemicznej paliw kopalnych) w stosunku do rozdzielonej produkcji energii elektrycznej i ciepła w elektrowniach i ciepłowniach/kotłowniach. Zmniejszeniu zużycia paliw towarzyszy również zmniejszenie oddziaływania na środowisko naturalne. Oszczędność zużycia energii chemicznej paliw pierwotnych tzn. wskaźnik PES wyraża różnicę pomiędzy zużyciem w gospodarce roz dzie lonej E chr i w kogeneracji E chchp. Zgodnie z [3] wskaźnik PES wyzna cza się w oparciu o zależność: (3) gdzie: h QCHP sprawność wytwarzania ciepła w układzie CHP www.informacjainstal.com.pl 2/2017 9

Ź h Qref sprawność wytwarzania ciepła w referencyjnym układzie produkcji rozdzielonej (np. w ciepłowni gazowej) h elchp sprawność wytwarzania elektryczności w układzie CHP h elref sprawność wytwarzania elektryczności w referencyjnym układzie produkcji rozdzielonej (np. w elektrowni gazowo-parowej). Maksymalizacja wskaźnika PES jest ściśle związana z jednoczesną maksymalizacją sprawności całkowitej (ogólnej) układu kogeneracyjnego η CHP [3]: ; (4) gdzie: E elb całkowita ilość energii elektrycznej brutto wytworzonej w kogeneracji [MWh]; Q uchp ilość ciepła użytkowego wytworzonego w kogeneracji [GJ]; E chchp ilość energii chemicznej paliw zużytej w jednostce kogeneracji do wytworzenia energii elektrycznej i ciepła użytkowego [GJ]; E chck ilość energii chemicznej paliw zużytych do wytworzenia ciepła użytkowego w jednostce kogeneracji poza procesem kogeneracji. [GJ]. Spełnienie kryterium maksymalizacji efektu energetycznego (PES max) sprowadza się w praktyce do takiego doboru nominalnej mocy cieplnej modułu CHP aby była ona na poziomie zbliżonym do minimalnego na moc cieplną u odbiorców w przeciągu całego roku. Taki sposób doboru mocy nominalnej modułu µchp przedstawiono na rys. 8 dla przypadku zaopatrzenia w ciepło do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody odbiorcy komunalnego. Należy zwrócić uwagę że ten sposób doboru mocy skutkuje doborem urządzenia o stosunkowo niskiej nominalnej mocy cieplnej i elektrycznej. Należy wyraźnie zaznaczyć że maksymalizacja efektu energetycznego (PES i EUF max) wcale nie musi być równoznaczna z osiągnięciem najkorzystniejszego efektu ekonomicznego. Taki bowiem dobór mocy nominalnej modułu mchp pociąga za sobą szereg skutków o charakterze zarówno pozytywnym jak i negatywnym z punktu widzenia opłacalności projektu: Zalety: maksymalizacja efektywności wykorzystania paliwa; minimalizacja strat ciepła do otoczenia; maksymalizacja procentowego udziału świadectw wytworzenia energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji. Wady: zwiększenie zużycia paliwa w kotłach rezerwowo-szczytowych; zmniejszona produkcja energii elektrycznej. Zdecydowana większość układów kogeneracyjnych jest budowana przez inwestorów prywatnych na zasadach komercyjnych. Stąd też najczęściej stosowanym kryterium optymalizacji układów mchp jest maksymalizacja funkcji celu w postaci określonego przez inwestora wskaźnika opłacalności jak na przykład wartość bieżąca inwestycji NPV czy wewnętrzna stopa zwrotu IRR [5 6] a więc np.: ; (5) gdzie: CF t przepływy pieniężne w kolejnym roku t J 0 początkowe nakłady inwestycyjne r stopa dyskonta N założona liczba lat eksploatacji układu. Jak wykazują liczne analizy techniczne układów mchp rodzaj i parametry nominalne modułu mchp dobrane ze względu na maksymalizację wskaźnika opłacalności (np. NPV max) wcale nie muszą pokrywać się parametrami dobranymi ze względu na maksymalizację efektu energetycznego (PES max) [5 6 7] Ostateczny efekt ekonomiczny budowy układu kogeneracyjnego zależy od wielu czynników finansowych z których najistotniejsze to [5 6 7]: przychody ze sprzedaży energii elektrycznej S el (lub uniknięty koszt zakupu energii elektrycznej z sieci) przychody ze sprzedaży ciepła S Q przychody ze sprzedaży świadectw pochodzenia wytworzenia energii elektrycznej w wysokosprawnej S śp koszty zakupu paliwa dla modułu kogeneracyjnego K f koszty zakupu świadectw pochodzenia wytwarzania energii elektrycznej w przypadku sprzedaży energii elektrycznej bezpośrednio odbiorcy końcowemu K ś wielkość odpisów amortyzacyjnych K am. W przypadku układów kogeneracyjnych zasilanych gazem ziemnym (tak jak zdecydowana większość układów µchp) kluczowe dla efektywności ekonomicznej są w zasadzie cztery składniki: S el S Q S śp oraz K f. Analizując strukturę zależności określających wartości wybranych składników przepływów finansowych można wydzielić te parametry które mają najistotniejszy wpływ na wskaźniki opłacalności gazowego układu kogeneracyjnego [7 8]: a) Parametr techniczny: 10 2/2017 www.informacjainstal.com.pl

Rys. 9 Możliwy optymalny poziom mocy nominalnej modułu µchp w celu uzyskania maksymalnej wartości wskaźnika NPV sprawność elektryczna gazowego modułu kogeneracyjnego h el : (6) gdzie E el oznacza całkowitą (brutto) ilość energii elektrycznej wytworzonej w module mchp a E chf to ilość energii chemicznej paliwa zużytego w module CHP Źródła ciepła i energii elektrycznej b) Parametr eksploatacyjny: rzeczywisty wskaźnik skojarzenia s: Rys. 10 Bilans zmiennego w czasie na moc cieplną ; (7) gdzie Q oznacza ilość ciepła użytecznego wytworzonego w module mchp (ta ilość jest zazwyczaj niższa lub co najwyżej równa nominalnej ilości ciepła możliwej do wytworzenia w module CHP). c) Parametry cenowe: cena zakupu energii chemicznej paliwa c chf cena energii elektrycznej c el (sprzedaż lub uniknięty zakup) cena świadectw pochodzenia c śp. Możliwy optymalny poziom mocy nominalnej modułu µchp w celu uzyskania maksymalnej wartości wskaźnika NPV lub IRR dla przypadku zaopatrzenia w ciepło grzewcze i ciepłą wodę odbiorcy komunalnego przedstawiono np. na rys. 9. W porównaniu do sytuacji przedstawionej na rys. 8 (dobór nominalnej mocy cieplnej modułu µchp w celu uzyskania maksymalnej wartości wskaźnika PES) nominalna moc cieplna (i zarazem elektryczna modułu µchp) jest większa. W warunkach eksploatacyjnych oznacza to: większe całkowite zużycie paliwa (moduł mchp o większej mocy nominalnej); większe starty ciepła do otoczenia (i większy udział tych strat w bilansie ciepła); zmniejszenie procentowego udziału świadectw wytworzenia energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji (dodatkowy przychód ze sprzedaży świadectw pochodzenia); zmniejszenie zużycia paliwa w kotłach rezerwowo-szczytowych; większa produkcja energii elektrycznej. W efekcie końcowym pomimo zmniejszenia efektywności energetycznej (mniejsze wartości wskaźnika PES i sprawności ogólnej mchp) możliwe jest uzyskanie korzystniejszego efektu ekonomicznego. Należy podkreślić że moduły mchp oparte o gazowe silniki tłokowe lub mikroturbiny gazowe osiągają najkorzystniejsze wskaźniki eksploatacyjne a przede wszystkim jednostkowe zużycie paliwa i sprawność przy pracy pod nominalnym (maksymalnym) obciążeniem elektrycznym. Praca pod niepełnym obciążeniem elektrycznym prowadzi do zmniejszenia chwilowej sprawności i zwiększeniem jednostkowego zużycia paliwa. Może to (choć nie musi) prowadzić także do zmniejszenia efektywności ekonomicznej pracy układu. Poprawę efektywności energetycznej (a także ekonomicznej) układu µchp można w wielu przypadkach uzyskać poprzez stosowanie akumulacji ciepła. Akumulację ciepła w małej skali stosuje się przede wszystkim do wyrównywania produkcji i na moc cieplną w skali dobowej. W typowych zastosowaniach komunalnych wykorzystuje się najczęściej zasobniki gorącej wody. Zastosowanie zasobnika ciepła umożliwia akumulację nadwyżek produkowanego ciepła przechowanie go przez pewien okres w zasobniku a następnie wykorzystanie w okresie gdy produkcja ciepła w module kogeneracyjnym jest mniejsza niż zapotrzebowanie. Umożliwia to zmniejszenie strat ciepła z układu zwłaszcza podczas pracy modułu µchp pełną mocą elektryczną. Podstawowe korzyści wynikające z zastosowania akumulacji ciepła są następujące: zwiększa się stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa (zmniejsza się ilość ciepła wyprowadzanego do otoczenia z modułu mchp) zmniejsza się zużycie paliwa w kotłach rezerwowo-szczytowych zwiększa się zdolność systemu do wytwarzania ciepła (szczytowe zapotrzebowanie cieplne jest pokrywane przez zasobnik co umożliwia instalowanie układów o mniejszej mocy) unika się pracy układu przy obciążeniu częściowym modułu µchp co pozwala zwiększyć średnią sprawność wytwarzania energii elektrycznej w układzie oraz obniżyć jednostkowe koszty produkcji energii. www.informacjainstal.com.pl 2/2017 11

Ź Przykładowy bilans zmiennego w czasie mocy cieplnej na tle stałej mocy cieplnej produkowanej przez moduł CHP przedstawiono na rys. 10. Stosowanie zasobników ciepła jest wręcz nieodzowne w przypadku zasilania budynków mieszkalnych w ciepłą wodę. Powodem jest niezwykle silna zmienność zapotrze bowania na moc cieplną w przeciągu doby przy stosunkowo niskim poziomie mocy średniej. Zapotrzebowanie na moc cieplną do celów ogrzewania w budynkach mieszkalnych i obiektach użyteczności publicznej cechuje duża zmienność sezonowa (np. rys. 6). Tak duża zmienność powoduje duże trudności z optymalnym doborem parametrów nominalnych modułu CHP co w praktyce przekłada się przeważnie na zmniejszenie sprawności ogólnej EUF układu CHP w skali całego roku. Sytuacja przedstawia się znacznie korzystniej jeżeli w zaopatrywanym obiekcie występuje również zapotrzebowanie na chłód do celów klimatyzacyjnych w sezonie grzewczym. Przebieg całkowitego na moc cieplną staje się wtedy bardziej wyrównany co pozwala na poprawę wskaźników energetycznych pracy układu CHP i w rezultacie również poprawę wskaźników opłacalności. Wnioski Podstawowe wnioski wynikające z analiz przedstawiają się następująco: 1. Instalowanie układów µchp w budynkach jednorodzinnych jest w chwili obecnej pozbawione sensu technicznego oraz z punktu widzenia uzyskania korzyści energetycznych ze stosowania kogeneracji. Podstawowym powodem jest zdecydowanie zbyt niskie średnie zapotrzebowanie na moc cieplną w budynkach tego typu (na poziomie kilku kw!) w stosunku do minimalnych mocy cieplnych dostępnych na rynku modułów µchp (tzn. około 40 kw). 2. Instalowanie układów µchp w budynkach wielorodzinnych (zwłaszcza o dużej liczbie mieszkańców np. powyżej 200 osób) jest możliwe chociaż efekty energetyczne stosowania kogeneracji są tu na umiarkowanym poziomie. Od strony technicznej z uwagi na bardzo niski poziom na moc elektryczną (w stosunku do poziomu mocy cieplnej) i jej bardzo dużą zmienność konieczne jest jednak wyprowadzanie całej mocy elektrycznej na zewnątrz (np. do sieci). 3. Instalowanie układów µchp w kotłowniach zasilających osiedla mieszkaniowe poprzez wydzieloną sieć ciepłowniczą jest technicznie uzasadnione gdyż efekty energetyczne stosowania kogeneracji mogą być na bardzo atrakcyjnym poziomie. Od strony technicznej z uwagi na bardzo niski poziom na moc elektryczną ( w stosunku do poziomu mocy cieplnej) i jej bardzo dużą zmienność konieczne jest jednak wyprowadzanie całej mocy elektrycznej z kotłowni na zewnątrz (np. do sieci). 4. Instalowanie układów µchp w budynkach biurowych kompleksach mieszkalno-biurowych kompleksach edukacyjnych itp. cechujących się podwyższonym minimalnym zapotrzebowaniem na moc elektryczną jest technicznie (i najczęściej ekonomicznie) uzasadnione. Unika się w ten sposób zakupów części drogiej energii elektrycznej z sieci. Parametry nominalne modułu µchp (rodzaj moc elektryczna i cieplna) powinny być przedmiotem optymalizacji techniczno-ekonomicznej. Może nie być konieczności instalowania urządzeń wyprowadzenia mocy elektrycznej do sieci w przypadku gdy nominalna moc elektryczna modułu µchp jest mniejsza od minimalnego w skali roku na moc elektryczną w obiekcie (jest to bardzo korzystne z technicznego punktu widzenia). 5. Efektywność ekonomiczna i tym samym atrakcyjność stosowania mikrokogeneracji w budynkach mogłaby ulec wyraźnemu zwiększeniu w przypadku wprowadzenia w życie sytemu wsparcia kogeneracji poprzez tzw. pomarańczowe certyfikaty. System ten miał zacząć obowiązywać od 1 stycznia 2013 roku. BIBLIOGRAFIA [1] Jarnut M.: Pomiary mocy elektrycznej w budynku testowym; Informacja własna; grudzień 2012 [2] Kalina J. Skorek J. Latko A.: Projekt demonstracyjny źródła ciepła i energii elektrycznej dla kompleksu budynków wyniki projektowania wstępnego. Materiały III konferencji międzynarodowej Energetyka gazowa. Szczyrk 2005. pp 289 318 [3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 lipca 2011 w sprawie sposobu obliczania danych we wniosku o wydanie świadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawiania do umorzenia tych świadectw uiszczania opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji. Dz. U. Nr 185 poz. 1314 [4] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej; Dziennik Ustaw Nr 201; Poz. 1240 [5] Skorek J. Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne. WNT Warszawa 2005 [6] Skorek J.: Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej gazowych układów kogeneracyjnych małej mocy. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej Gliwice 2002 [7] Skorek J.: Technical and economical analysis of exploitation of gas fired small scale CHP systems in Poland; Archiwum Energetyki; Tom XLII(2012) nr. 2; s. 1 14 [8] Skorek J.: Uwarunkowania budowy gazowych układów kogeneracyjnych małej mocy; Rynek instalacyjny; Wrzesień 2012; s. 2-8. [9] Skorek J.: Badania własne niepublikowane; Gliwice 2012. [10] Ustawa prawo energetyczne stan prawny na dzień 3 maja 2012 [11] Wyniki obliczeń mocy cieplnej do ogrzewania budynków zasilanych z mikrosieci cieplnej; Informacja własna; Uniwersytet Zielonogórski; grudzień 2012. 12 2/2017 www.informacjainstal.com.pl