UKŁAD POLIGENERACYJNY, JAKO JEDEN Z ELEMENTÓW ROZWOJU WIELONOŚNIKOWYCH ZAKŁADOWYCH SIECI MEDIÓW Krzysztof Siekierski, Maksymilian Przygrodzki Politechnika Śląska Zakładowe sieci elektroenergetyczne, zwłaszcza te w przedsiębiorstwach o wieloletniej tradycji, były rozbudowywane i modernizowane w głównej mierze w ślad za pojawiającymi się inwestycjami, restrukturyzacją wydziałów bądź całej firmy. Rzadko rozbudowie zakładów towarzyszył planowy rozwój sieci, z wykorzystaniem modelowania i optymalizacji ich struktury w aspekcie zaspokojenia nie tylko bieżących, ale i przyszłych potrzeb. Przyczyną był czasami wynik niedoceniania wagi tych zagadnień, częściej jednak był to skutek bieżących decyzji, dotyczących ograniczania kosztów inwestycji, przyspieszenia terminu jej oddania, itp. Skutkowało to przesuwaniem rzeczywistej modernizacji sieci na przyszłe, bliżej nie określone terminy, czasami z nadzieją, że zadania te uda się zrealizować przy okazji nowych inwestycji. Nie do rzadkości należą przypadki, w których nowy lub zmodernizowany wydział uruchamiany był w obiektach i z wykorzystaniem sieci pozostałej po wydziałach, których dotychczasowa działalność została z różnych powodów zlikwidowana. W efekcie w zakładach, gdzie zastosowano podobne tymczasowe rozwiązania, konfiguracja sieci - w zakresie jej optymalizacji, funkcjonalności, bezpieczeństwa i niezawodności dostaw - pozostawia wiele do życzenia. Na te działania nakładały się rosnące wymagania stawiane elektroenergetycznym sieciom zakładowym przez rozwijane technologie. W efekcie staje się przed koniecznością podejmowania takich przedsięwzięć modernizacyjnych, które choć po części pozwolą spełnić te oczekiwania. Kompleksowa analiza zakładowych wielonośnikowych sieci mediów energetycznych Podejście do problematyki związanej z modelowaniem i optymalizacją w obrębie zakładów przemysłowych sieci elektroenergetycznej powinno uwzględniać również zagadnienia związane z sieciami i urządzeniami pozostałych mediów energetycznych. Szeroko rozumiana kompleksowość tego podejścia wynika stąd, że konfiguracje sieci pozostałych mediów zakładowych często również są efektem podejmowanych w przeszłości mniej lub bardziej trafnych decyzji. Należy przy tym wziąć pod uwagę, że w zakładach realizowana jest również konwersja energii w mediach, globalna bądź rozproszona. Ta z kolei przekłada się na konfigurację sieci pozostałych mediów, często jednak silnie powiązanych z konfiguracją sieci elektroenergetycznej. Sieć elektroenergetyczna jest zwykle jednym z podstawowych elementów dystrybucji energii w zakładach bądź bazą przy wytwarzaniu innych mediów, jak np. sprężone powietrze, czy chłód technologiczny. Zaistnienie opisanych sytuacji, skutkuje zatem koniecznością podejmowania kompleksowych działań modernizacyjnych i optymalizacyjnych, wprowadzających nowoczesne standardy sieciowe. Nowoczesne rozwiązania technologiczne w zakresie konwersji energii w mediach i związanej z tym dystrybucji, pozwalają na całkiem odmienne podejście do zagadnień modernizacji zakładowych sieci mediów. W tym przypadku modelowaniem należy objąć nie tylko sieć elektroenergetyczną, ale również wszystkie urządzenia oraz sieci pozostałych mediów i uwzględniać obecne i przyszłe potrzeby zakładu w zakresie ich zaspokojenia. Problematyka ta ma szczególne znaczenie zwłaszcza w zakładach energochłonnych, realizujących np. procesy wytwarzania i przetwórstwa metali. W tych zakładach stawia się wysokie wymagania związane z zapewnieniem bezpieczeństwa i niezawodności dostaw energii. Podobne wymagania formułuje się dla sieci zakładów posiadających duże nasycenie kosztownymi technologiami, wrażliwymi na przerwy w dostawie energii elektrycznej. Idea modelowania rozwoju sieci wielonośnikowych Współczesne sposoby podejścia do modernizacji i planowania rozwoju sieci elektroenergetycznych zakładają, że przyszłe ich struktury będą efektem optymalizacji wielonośnikowego modelu pokrycia zapotrzebowania, w którym wykorzystane zostaną nowoczesne rozwiązania systemowe w zakresie konwersji energii oraz powiązaną z mediami kooperację w zakresie ich dystrybucji. Ważnym elementem w modelowaniu i optymalizacji sieci dystrybucyjnych, jest uwzględnienie konwergencji systemów mediów energetycznych oraz mikrogeneracji, będącej ważnym elementem przyszłych struktur sieciowych [3]. Rozpatrując poszczególne węzły energetyczne wielonośnikowych sieci zakładowych w każdym z nich można wyodrębnić procesy przemiany parametrów danego medium, przetwarzania energii w mediach, zużycia, rozdziału itp. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy węzeł energetyczny z wyodrębnionymi procesami energetycznymi w ujęciu wielonośnikowym (energia elektryczna, sprężone powietrze, ciepło, gaz).
Rys.1 Przykład wielonośnikowego węzła energetycznego 1- elektroenergetyczna stacja transformatorowo rozdzielcza, 2- stacja redukcyjna gazu, 3- sprężarkownia, z odzyskiem energii cieplnej z procesu sprężania, 4- urządzenia odbiorcze sprężonego powietrza na linii produkcyjnej, 5- stacja pomp oleju hydraulicznego dla potrzeb linii produkcyjnej, z odzyskiem energii cieplnej, 6- układ kogeneracyjny Węzły energetyczne wielonośnikowej sieci zakładowej są powiązane wzajemnie, tworząc strukturę sieciową, co przedstawiono na rysunku 2. Występujące powiązania i zależności w wielonośnikowej sieci mediów energetycznych sprzyjają nakreśleniu zadania optymalizacyjnego. Cele zastosowania optymalizacji w odniesieniu do tej sieci mogą być różne. Wśród szczególnie interesujących można wyróżnić: - cel ekonomiczny, w którym istotnymi są: minimalizacja kosztów pokrycia zapotrzebowania na czynniki energetyczne, minimalizacja kosztów utrzymania sieci mediów, maksymalizacja korzyści wykorzystania gospodarki wielomedialnej; - cel techniczny, w którym na pierwszy plan wysuwa się: poprawa sprawności dystrybucji i zarządzania mediami, bezpieczeństwo i ciągłość dostaw mediów, a w efekcie funkcjonowanie zakładu. Rys. 2. Fragment struktury wielonośnikowej zakładowej sieci mediów
Wspólnym mianownikiem (kryterium) podjętych działań optymalizacyjnych jest wynik finansowy przedsiębiorstwa, stąd też jako zadanie optymalizacji można poszukiwać rozwiązań w zakresie: gdzie: - minimalizacji funkcji kosztów funkcjonowania (stałych i zmiennych) zapisanych ogólnym równaniem: x 1 koszt dostawy mediów, x 2 koszt wytwarzania mediów, x 3 koszt dystrybucji,. x n nakład inwestycyjny. bądź: gdzie: min K ( x ), i=1 n - maksymalizacji zysku w uogólnionym zapisie: i max Z ( y ), i=1 n y 1 efektywność zakupu energii (mediów) z rynku energii, y 2 efektywność wytwarzania energii (mediów),. y n efektywność przesyłu. i Kompleksowe podejście do modelowania zakładowej infrastruktury energetycznej pozwala na optymalne pokrycie bieżących i przyszłych potrzeb podmiotu (zakładu). Uwzględnienie alternatywnych źródeł energii, w tym źródeł lokalnych (np. w obszarze zakładu) w technologii jednego lub kilku zestawów poligeneracyjnych, znajduje szczególne uzasadnienie zwłaszcza w zakładach energochłonnych [1, 2]. W zakładach tych, w efekcie przeprowadzonych modernizacji, skala przełożenia osiągniętych oszczędności w gospodarce mediami na konkretny wynik finansowy przedsiębiorstwa posiada szczególnie istotny wymiar. Metodyka przygotowania danych do nakreślonego modelu, pozwalających na przeprowadzenie optymalizacji i podjęcie działań modernizacyjnych oraz rozwojowych, w zależności od konkretnych lokalnych uwarunkowań, powinna obejmować między innymi: inwentaryzację aktualnej konfiguracji i parametrów technicznych sieci wszystkich mediów; inwentaryzację wyposażenia, stanu technicznego, wieku i stopnia amortyzacji sieci i urządzeń mediów; inwentaryzację istniejących rezerw sieciowych; zestawienie obecnych i przyszłych warunków zapotrzebowania na media, z uwzględnieniem topologii miejsc ich dostarczania; analizę kosztów wytwarzania i dystrybucji poszczególnych mediów; analizę konwersji energii w mediach w odniesieniu do występujących obecnie i mogących wystąpić w przyszłości potrzeb w aspekcie możliwości ich zaspokojenia, poprzez wykorzystanie wielonośnikowej gospodarki mediami. Na rysunku 3 przedstawiono model przykładowego zakładu z wyróżnionymi węzłami energetycznymi mediów przypisanych poszczególnym wydziałom funkcjonalnym.
Rys. 3 Rozmieszczenie węzłów energetycznych w zakładzie z zaznaczonymi sieciami dystrybucyjnymi mediów energetycznych Celem podejmowanych działań optymalizacyjnych może być zapewnienie obecnym i przyszłym odbiorcom zakładowym dostaw czynników energetycznych o wymaganej jakości. Efektu tego można poszukiwać uwzględniając między innymi: przemiany energii, jakie mogą być realizowane w poszczególnych węzłach energetycznych, koszty przebudowy struktury węzłów, w których mają być realizowane te przemiany, koszty modernizacji infrastruktury przesyłowej, za pomocą której będzie dostarczana energia do urządzeń, pozwalających na jej transformację, bądź przemianę nośnika, rezerwowanie dostaw czynników energetycznych do miejsc szczególnie wrażliwych. Rozwiązanie odpowiednio sformułowanych zadań optymalizacyjnych pozwala w efekcie na skonfigurowanie docelowego wielonośnikowego modelu sieci energetycznych, uwzględniającego narzucone wymagania. Realizację tak sporządzonego modelu należy ująć w planach rozwojowych sieci. Sporządzając harmonogram realizacji planów rozwojowych sieci należy skorelować go z możliwościami w zakresie finansowania zamierzonych przedsięwzięć modernizacyjnych sieci. Może się okazać, że posiadane środki, nie pozwalają na ich jednoczesną realizację, doprowadzającą do osiągnięcia optymalnego docelowego modelu. Musi wówczas nastąpić oszacowanie wagi poszczególnych składowych zadania optymalizacji z punktu widzenia różnych interesów występujących w przedsiębiorstwie, przekładające się między innymi na osiągnięcie określonych efektów ekonomicznych, organizacyjnych itp. Poniżej podano przykład rozważenia zabudowy zespołów poligeneracyjnych w ramach sieci wielomedialnej we wspomnianych wcześniej zakładach energochłonnych, realizujących kosztowne procesy wytwarzania bądź przetwórstwa metali, przy wymogach bezpieczeństwa dostaw energii. Należy przy tym mieć na uwadze, że zabudowa takich zespołów powinna mieć miejsce głównie w węzłach energetycznych, w których obecne i przyszłe zapotrzebowanie na energię elektryczną i ciepło pozwolą na pełne wykorzystanie produkowanego ciepła i energii elektrycznej, uzasadniając ich zastosowanie. Występujące przy tym relatywnie krótkie odcinki dystrybucji wytwarzanych czynników pozwalają na ograniczenie strat przesyłu [1, 2, 3].
Przykładowe zastosowania rozwiniętych układów poligeneracyjnych Układy poligeneracyjne, służące do równoczesnego wytwarzania energii elektrycznej oraz innych postaci energii wykorzystywanych w węzłach energetycznych, pozwalają na osiągnięcie znacznie wyższych wskaźników przetworzenia energii zawartej w dostarczonym paliwie na energię użyteczną niż przy wytwarzaniu rozdzielonym. Zabudowa optymalnie skonfigurowanego zespołu poligeneracyjnego, poza zapewnieniem rezerwowego źródła dostaw energii do odbiorów wymagających odpowiedniego poziomu niezawodności, pozwala na znaczne obniżenie kosztów zużywanej energii. Jest to wynik rezygnacji z alternatywnego zakupu tej energii z dotychczasowych droższych źródeł, w których wytwarzana i dostarczana jest ona w sposób mniej efektywny. Optymalnie dobrane do węzłów energetycznych układy poligeneracyjne, potrafią osiągnąć ogólną sprawność przemiany energii z dostarczonego paliwa gazowego, m.in. w energię elektryczną i ciepło, znacznie ponad 75%, co zgodnie z obowiązującym prawem [6] stawia je w rzędzie kogeneracji wysokosprawnych. Tego typu technologia pozwala na skorzystanie przy ich realizacji z systemów wsparcia, przykładowo: kredyty preferencyjne uzyskiwane z Banku Ochrony Środowiska, dotacje z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska w ramach programów priorytetowych, dotacje z funduszu europejskiego, w ramach programów pomocowych. Wielkość kredytów czy dotacji jest uzależniona od wielu czynników. W przypadku dotacji z funduszu europejskiego, w zależności od wielkości przedsiębiorstwa, może ona wynosić od 30% do 75% tzw. kosztów kwalifikowanych. Uzyskanie któregokolwiek z systemów wsparcia w oczywisty sposób wpływa na efektywność inwestycji. Układy poligeneracyjne charakteryzują się uzyskiwaniem wysokiego stopnia skojarzenia, dzięki zastosowaniu w nich urządzeń do konwersji energii w czynnikach energetycznych, wykorzystujących ciepło niskotemperaturowe. Do urządzeń tych należą np.: chłodziarki adsorpcyjne i absorpcyjne, wykorzystujące niskotemperaturową energię do produkcji chłodu, z przeznaczeniem do procesów technologicznych, bądź klimatyzowania pomieszczeń, układy ORC (ang. Organic Rankie Cycle), wykorzystujące niskotemperaturową energię powstającą w układach poligeneracyjnych, traktowaną dotychczas jako ciepło odpadowe, do produkcji energii elektrycznej. Układy poligeneracyjne, zasilane są zazwyczaj gazem ziemnym, ale posiadają również możliwość dostosowania do spalania dostępnych niekiedy gazów procesowych, np. koksowniczych czy biogazów, gazów z odgazowania kopalń a także mieszanek tych gazów z gazem ziemnym, co obniża koszt zużywanego paliwa w stosunku do zasilania samym gazem ziemnym. Nie bez znaczenia jest fakt, że w wyniku zauważalnego postępu w budowie układów poligeneracyjnych oferowane obecnie rozwiązania posiadają zwartą modułową konstrukcję, w której zabudowane są podstawowe elementy układu, przez co nie wymagają one dużych powierzchni do ich posadowienia. Ponadto w ofercie wielu producentów występują również zestawy, zabudowane w odrębnych dźwiękochłonnych kontenerach, co umożliwia ich lokalizację w bezpośrednim sąsiedztwie odbioru. Pozwala to na uniknięcie kłopotów związanych z ich zabudową i wygłuszaniem, w przypadku lokalizacji układów poligeneracyjnych bezpośrednio na halach. Założono, że głównymi celami, jakie będą przyświecać przeprowadzanej optymalizacji struktury sieciowej mediów zakładu, będą: minimalizacja kosztów pokrycia zapotrzebowania na czynniki energetyczne, rezerwowanie dostaw czynników energetycznych do miejsc szczególnie wrażliwych. Analiza struktury sieciowej oraz zapotrzebowania na czynniki energetyczne zakładu przedstawionego na rysunku 3 pod kątem wymienionych powyżej celów optymalizacji wykazała, że w zakładzie istnieją dwa węzły, w których zabudowanie układów poligeneracyjnych byłoby najbardziej uzasadnione. Są to węzły o numerach: 2- montownia i hamownia silników oraz 13 odlewnia. Charakteryzują je:
najbardziej stabilne i relatywnie duże zapotrzebowania, gwarantujące możliwość osiągania dużych współczynników skojarzenia przez układy poligeneracyjne; struktura i poziom zapotrzebowania na poszczególne rodzaje produkowanych w tych układach czynników energetycznych, co umożliwia ich zużycie bezpośrednio w węźle i eliminuje ewentualne straty tych czynników, w przypadku zaistnienia konieczności ich transportu do innych węzłów, zapewniających uzupełnienie zapotrzebowania; z uwagi na stosowane technologie obydwa węzły charakteryzuje duża wrażliwość na ciągłość dostaw czynników energetycznych, stąd występująca potrzeba rezerwowania ich dostaw; w tym obszarze optymalizacji zakłada się, że układy poligeneracyjne będą stanowiły główne źródło dostaw produkowanych przez nie czynników energetycznych, natomiast rezerwowe źródło będzie zapewnione przez dotychczasowe struktury sieciowe, które nie zostaną zlikwidowane; pokrycie zapotrzebowania na czynniki energetyczne w węźle nr 2, wymaga zastosowania układu trigeneracyjnego, produkującego energię elektryczną, wodę grzewczą i chłód technologiczny natomiast zapewnienie pokrycia tych zapotrzebowań w węźle 13 odlewnia, wymaga zastosowania układu quatrogeneracyjnego, wytwarzającego ponadto parę technologiczną. Zbudowanie układu quatrogeneracyjnego jest bardziej kosztowne, niż układu trigeneracyjnego, niemniej jednak z uwagi na istniejące w odlewni zapotrzebowanie również na parę grzewczą, jego konfiguracja znajduje uzasadnienie. Z uwagi na fakt, że układ quatrogeneracyjny jest bardziej kosztowny niż układ trigeneracyjny, w dalszej części publikacji celem sprawdzenia poprawności przyjętych konfiguracji układów poligeneracyjnych, przedstawiono wyniki z przeprowadzonej analizy ekonomicznej jego zastosowania. Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy układu quatrogeneracyjnego, skonfigurowanego dla potrzeb występujących w węźle odlewni. W zaprojektowanym układzie zastosowano moduły wykorzystujące niskotemperaturowe strumienie energii cieplnej, podnosząc w ten sposób stopień wykorzystania energii cieplnej, dostarczonej do układu w paliwie gazowym. Przedstawiony na schemacie układ posiada urządzenia zabudowane na wszystkich produkowanych strumieniach energii. Liczba zabudowanych urządzeń pozwala na osiągnięcie przez układ wysokiego stopnia skojarzenia.
Rys. 4. Układ quatro-generacyjny, na bazie silnika gazowego 1 silnik gazowy, 2 prądnica elektryczna, 3 spaliny z silnika, 4 - wymiennik: spaliny para wodna, 5 spaliny po 1 stopniu schłodzenia, 6 wymiennik: spaliny woda grzewcza do celów socjalnych, 7 - spaliny kierowane do komina, 8 straty energii, 9 paliwo gazowe, 10 ciepło z chłodzenia kadłuba, oleju oraz powietrza za sprężarką, 11 - wymiennik: woda woda grzewcza, wspomagająca ogrzewanie hali, 12 chłodziarka adsorpcyjna Konfiguracja tego układu jest dobrana do potrzeb występujących w węźle 13, tj. odlewni żeliwa (rys. 3). Weryfikacja zapotrzebowania na czynniki energetyczne w tym obiekcie, wykazała zapotrzebowanie na następujące czynniki: para wodna do ogrzewania suszarni przy malarni odlewów, ciepło do ogrzewania powietrza wentylowanego w hali w sezonie grzewczym (wentylacja 4-8 wymian na godzinę, w zależności od wydziału czynnik w postaci wody grzewczej 1), chłód do schładzania powietrza wentylowanego w obrębie żeliwiaków, linii odlewniczych i kanałów technologicznych w sezonie letnim, ciepło do wytwarzania ciepłej wody użytkowej do celów socjalnych ( woda grzewcza 2), energia elektryczna do wykorzystania w procesach produkcyjnych. W harmonogramie pracy układu (z rys. 4) przyjęto, że wymiennik 11 pracuje w sezonie grzewczym, natomiast poza sezonem grzewczym jest blokowany, a cała energia cieplna z tej części silnika jest kierowana do chłodziarki adsorpcyjnej 12, wytwarzającej chłód do wentylacji hali. Przewidywane miejsca zainstalowania obydwu układów poligeneracyjnych, przedstawiono na rysunku 5. Decyzję o lokalizacji zespołów poligeneracyjnych poprzedzono szczegółową inwentaryzacją zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną w wyróżnionych węzłach energetycznych. Analizę zapotrzebowania przeprowadzono zarówno w aspekcie poziomu zapotrzebowanej mocy na poszczególne czynniki, jak i w aspekcie zmienności zapotrzebowania w skali roku, co przekłada się na przewidywany czas eksploatacji przyszłego zespołu. Przy wyodrębnianiu węzłów energetycznych wzięto pod uwagę
zapotrzebowanie na ciepło nawet o różnych parametrach energetycznych. Ponadto dla każdego z analizowanych czynników wyznaczono maksymalny poziom mocy, dla którego węzeł gwarantuje stałe obciążenie. W efekcie przeprowadzona analiza, pozwoliła na optymalne skonfigurowanie obu układów, gwarantując jednoczesne obciążenie mocą elektryczną i cieplną układu w pobliżu jego mocy znamionowej. Jest to najbardziej efektywny rodzaj optymalizacji, pozwalający na osiągnięcie najwyższego stopnia skojarzenia, czego efektem jest osiągnięcie relatywnie niskiego poziomu cen wytwarzanej energii elektrycznej i ciepła. Biorąc pod uwagę, że dostarczanie tych czynników z dotychczasowych, konwencjonalnych źródeł wiązało się z ze stratami przesyłowymi, zabudowa zaprojektowanych układów poligeneracyjnych pozwoli na ich zminimalizowanie. Optymalizacja ta może przynieść zakładowi znaczne oszczędności w zakresie kosztów energii elektrycznej i ciepła. Wytwarzając je w zaproponowanych układach, można się spodziewać oszczędności rzędu kilkudziesięciu procent. Optymalnie dobrane układy poligeneracyjne mogą osiągnąć poziom oszczędności ok. 40% dotychczasowych kosztów. Rys. 5 Miejsca aplikacji układu quatrogeneracyjnego i trigeneracyjnego Efektywność finansowa inwestycji układ quatrogeneracyjny na odlewni żeliwa Jak wspomniano, wniosek w sprawie decyzji o lokalizacji obu układów poligeneracyjnych poprzedziła wnikliwa analiza efektywności ekonomicznej zamierzonego przedsięwzięcia, dla której bazą były dane otrzymane ze wspomnianej szczegółowej inwentaryzacji zapotrzebowania na poszczególne media energetyczne we wszystkich wyodrębnionych węzłach energetycznych w zakładzie. Przeprowadzona inwentaryzacja wykazała, że najbardziej efektywnymi lokalizacjami będzie zabudowa układu trigeneracyjnego w montowni i hamowni silników oraz układu quatrogeneracyjnego na odlewni żeliwa. Efektywność przyszłych inwestycji w poszczególnych węzłach, oceniono na podstawie wyliczonego dla każdej lokalizacji wskaźnika NPV, który jest jednym z podstawowych wskaźników oceny ekonomicznej zamierzonego przedsięwzięcia. Wskaźnik NPV (ang. Net Present Value) określa tzw. wartość bieżącą netto przedsięwzięcia. Wyznaczany jest on na podstawie sumy wszystkich zdyskontowanych przepływów pieniężnych związanych z projektowaną inwestycją. W przepływach tych uwzględniono przepływy pieniężne związane z wykonaniem projektu (faza projektowa), zakupem i zabudową zespołu poligeneracyjnego (faza inwestycyjna), a
po uruchomieniu obiektu z jego eksploatacją (faza eksploatacyjne), w trakcie której przewidziano również przeprowadzenie remontu kapitalnego silnika po upływie 60 000 godzin pracy. Generalnym założeniem jest, że ocena opłacalności zamierzonego projektu jest pozytywna, jeżeli przed upływem N lat eksploatacji wartość wskaźnik NPV będzie dodatnia. Oznacza to, że zainwestowane w przedsięwzięcie środki, zwrócą się przed upływem przewidywanego czasu eksploatacji. Z punktu widzenia interesu finansowego przedsiębiorstwa istotne jest, aby nastąpiło to w jak najkrótszym okresie. Dla prezentowanego przypadku układu quatrogeneracyjnego przyjęto, że głównym jego zadaniem będzie produkcja pary technologicznej i do tego zadania, będzie dobrana moc agregatu. Pozostałe czynniki energetyczne, produkowane będą wynikowo, w stosunku do produkcji pary technologicznej. W przytoczonej analizie przyjęto następujące założenia: 1. czas pracy agregatu 8000h/rok, 2. zapotrzebowanie w wybranym węźle energetycznym na media: para technologiczna, ciepła woda do celów socjalnych, ciepło grzewcze do wentylacji w sezonie grzewczym, chłód do wentylacji po sezonie grzewczym, energia elektryczna, 3. para technologiczna będzie produkowana w wymienniku pobierającym energię ze strumienia spalin, 4. po wytworzeniu pary, energia ze spalin, będzie przekazywana w kolejnym wymienniku do ogrzania wody użytkowej do celów socjalnych, 5. ciepło grzewcze do wentylacji będzie produkowane w sezonie grzewczym, w pozostałym czasie będzie produkowany chłód do schładzania powietrza wentylowanego, 6. w celu osiągnięcia jak najwyższego stopnia sprawności przemiany energii pierwotnej w energię w wytwarzanych czynnikach energetycznych zakłada się, że agregat poligeneracyjny będzie pracował z mocą znamionową, 7. z uwagi na mogące wystąpić okresowe zmiany w poborze pary technologicznej, w celu niedopuszczenia do obniżenia obciążenia agregatu, czyli utrzymania jego obciążenia znamionowego, podjęto następujące działania: wymiennik do produkcji ciepłej wody grzewczej do ogrzewania wody do celów socjalnych, zaprojektowano z dużym przewymiarowaniem, aby w okresach mniejszego zapotrzebowania na parę technologiczną przejmował zwiększoną energię ze spalin, zaprojektowano układ automatycznego przekierowania nadmiaru wyprodukowanego ciepła w tym wymienniku do obiegu ogrzewania/chłodzenia powietrza wentylowanego; zapotrzebowanie obiegów wentylacyjnych na ciepło grzewcze bądź chłód, przekraczające ponad dwukrotnie ilość energii cieplnej, produkowanej w układzie poligeneracyjnym, pozwoli na wykorzystanie dostarczanej energii, w okresach przejściowych przy znacznych zmniejszeniach zapotrzebowania na ciepło grzewcze, przewidziano automatyczne przekierowanie czynnika grzewczego do sąsiednich obiektów, 8. energia elektryczna będzie zużywana wewnątrz zakładu, 9. zasilanie: gaz ziemny, 10. agregat - w zabudowie kontenerowej, 11. czas pracy agregatu do remontu głównego: 60 000 h (7,5 roku). Dane dotyczące zapotrzebowania na poszczególne czynniki energetyczne oraz założenia do analizy ekonomicznej podano poniżej.
W zakresie zapotrzebowania (szczytowego) przyjęto następujące wartości parametrów poszczególnych nośników: 1. zapotrzebowanie na parę technologiczną o parametrach: 148 ºC/4 bary 525 kw, produkcja przez cały rok, 2. zapotrzebowanie na ciepło o parametrach 88 ºC /69 ºC 107 kw, do wytwarzania ciepłej wody użytkowej do celów socjalnych, produkcja przez cały rok, 3. zapotrzebowanie na ciepło grzewcze 825 kw; z tej ilości ciepła chłodziarka adsorpcyjna wytworzy alternatywnie chłód w wodzie lodowej w ilości 578 kw; ciepło będzie produkowane w okresie grzewczym ( przyjęto 7 miesięcy ) w postaci wody grzewczej o parametrach 88 ºC /69 ºC; chłód w postaci wody lodowej, posiadającej parametry: 6 ºC /12 ºC będzie produkowany przez pozostałe 5 miesięcy, 4. moc elektryczna dobranego agregatu 1487 kw, produkcja przez cały rok. W wymiarze kosztowym przyjęto następujące koszty zakupu i zainstalowania agregatu oraz koszty eksploatacji: 1. koszt zakupu i zainstalowania agregatu 6 200 tys. zł, 2. zużycie nominalne paliwa gazowego 344,3 Nm³, 3. koszt roczny obsługi 65 tys. zł, 4. roczny koszt czynności serwisowych 300 tys. zł, 5. ciepło spalania paliwa gazowego 10,05 kwh/ Nm³, 6. czas pracy agregatu do remontu kapitalnego silnika 60 000 h (7,5 roku), 7. koszt remontu kapitalnego 1 000 tys. zł. Moc elektryczna, w kw Dane do przeprowadzonej analizy ekonomicznej zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Dane do analizy efektywności ekonomicznej dla zestawu quatrogeneracyjnego Moc cieplna, w kw Stopień skojarzenia, w % Koszt energii elektrycznej, w PLN/MWh Koszt energii cieplnej, w PLN/ GJ Średni koszt 1 Nm³ gazu, w PLN Liczba godzin pracy, w roku Stopa dyskonta, w % 1487 1457 85 307,74 46,26 1,52 8000 5,5 W tabeli 2 przedstawiono przewidywane ilości czynników energetycznych, które mogą być wyprodukowane w projektowanym układzie poligeneracyjnym w ciągu roku. W tabeli tej została również obliczona przewidywana roczna wartość produkcji (l.p. 7), jak również sprawność ogólna ŋ układu (l.p. 9), na podstawie wzoru: ŋ= (1) Sprawność ta określa stosunek sumy energii wszystkich nośników, wyprodukowanych w układzie poligeneracyjnym w skali godziny, w odniesieniu do energii pierwotnej Q d dostarczonego paliwa gazowego również w skali godziny (Q d =3460 kwh).
Tabela 2. Czynniki energetyczne przewidziane do wyprodukowania w analizowanym układzie poligeneracyjnym w ciągu roku L.p. Rodzaj czynnika Produkcja Liczba godzin produkcji Ilość wyprodukowanego czynnika w skali roku Koszt jednostkowy Wartość produkcji 1 Jednostki kwh h kwh PLN/kWh PLN 2 Para wodna 148 0,168 st.c/ 4 bary 525 8000 4200000 703985 3 Woda grzewcza 2 o parametrach 0,167 88/69 107 8000 856000 142598 Woda grzewcza 1 o parametrach 4 88/69 przez 7 m- cy, zamiennie z 0,167 pozycją L.p.5 825 4667 3850000 641358 Chłód technologiczny 5 przez 5 m-cy, zamiennie z poz. 0,238 L.p. 4 578 3333 1925000 458113 6 Energia elektryczna 1487 8000 11896000 0,308 3660875 Razem wartość roczna produkcji 7 Xxx xxx xxx xxx L.p.: ( 2+3+4+5+6) w PLN 5606929 Razem produkcja godzinowa Q godz. 8 = L.p. ( 2+3+4+6 ) xxx xxx xxx xxx kwh: 2944 9 Sprawność ŋ układu, w odniesieniu do energii pierwotnej dostarczonego paliwa gazowego (Tab. 3) 0,851 xxx xxx xxx xxx W celu wyliczenia przewidywanego zysku rocznego nieobciążonego odsetkami od zaciągniętych kredytów, w tabeli 3 przedstawiono zestawienie kosztów eksploatacji układu poligeneracyjnego, oszacowanych w skali roku.
Tabela 3. Roczne koszty eksploatacji układu poligeneracyjnego L p. Rodzaj kosztów Wyszczególnienie Jednostka Wartość Ilość paliwa Nm³/h 344,30 Energia paliwa Q d kwh 3460 1 Paliwo Liczba godzin produkcji h 8000 Ilość paliwa w roku Nm³ 2754391 Koszt jednostkowy PLN/Nm³ 1,52 Koszt w skali roku PLN 4175634 2 Serwis Koszt roczny PLN 300000 3 Obsługa Koszt roczny PLN 65000 4 Razem koszty PLN 4540634 5 Wartość produkcji PLN 5606929 6 Zysk roczny bez obciążenia odsetkami: L.p.6 = L.p. 5- L.p. 4 PLN 1066295 Na podstawie otrzymanych danych przeprowadzono analizę efektywności ekonomicznej zamierzonego przedsięwzięcia, posługując się wskaźnikiem efektywności inwestycji NPV. Wyniki z przeprowadzonej analizy efektywności ekonomicznej NPV przedstawiono na rysunku 6 oraz w tabeli 4. tys. PLN 2000 1000 0-1000 -2000-3000 -4000-5000 -6000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 lata Rys 6. Wykres uzyskiwanych wartości NPV układu quatrogeneracyjnego Po 60 000 godzinach eksploatacji (co przy założeniu 8 000 godzin pracy rocznie oznacza 7,5 roku eksploatacji) występuje konieczność przeprowadzenia remontu kapitalnego silnika. Z tego względu koszt związany z tym remontem przesuwa okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych do 8 lat. Tabela 4. Wartości NPV uzyskiwane w kolejnych latach eksploatacji układu quatrogeneracyjnego, w tys. zł Lata 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NPV w tys. PLN -5187,76-4228,29-3318,85-2456,81-1639,72-865,22-131,10-435,25 224,33 849,52
Podsumowanie i wnioski 1. Zabudowa układu quatrogeneracyjnego z wykorzystaniem silnika gazowego należy do inwestycji o średnim okresie zwrotu wynoszącym 8 lat, co uzasadnia jego zainstalowanie. 2. Inwestowanie w zabudowę układu poligeneracyjnego o wysokim stopniu skojarzenia, mimo wyższych nakładów inwestycyjnych związanych z jego zabudową, jest przedsięwzięciem podnoszącym znacznie jego efektywność efektywność energetyczną, co może ułatwić otrzymanie dofinansowania w ramach istniejących systemów wsparcia dla tego rodzaju inwestycji. 3. Z uwagi na fakt, że obecne regulacje prawne w stosunku do podmiotów, prowadzących obrót energią elektryczną, wprowadziły wymóg uzyskiwania i przedstawiania do umorzenia przez Prezesa URE świadectw pochodzenia energii z wysokosprawnej kogeneracji ( żółte certyfikaty), z chwilą uzyskania w eksploatowanym układzie poligeneracyjnym zasilanym gazem stopnia skojarzenia powyżej 75 %, można wystąpić do Prezesa URE o wydanie takich świadectw. Należy tu jednak zaznaczyć, że dla wyliczenia stopnia skojarzenia we wniosku o wydanie świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji, ustawodawca nie przewiduje wzięcia pod uwagę ilości energii cieplnej, zagospodarowywanej przez urządzenia, służące do dalszej konwersji energii, jak np. przez wspomniane w artykule chłodziarki absorpcyjne, adsorpcyjne, czy układy ORC. Uzyskane tzw. żółte certyfikaty podniosą efektywności inwestycji. Układy poligeneracyjne, zasilane biogazem, mogą generować dochody, osiągnięte z jednocześnie funkcjonujących w tym przypadku świadectw ze źródeł odnawialnych i żółtych certyfikatów, natomiast zasilane gazem z koksowni, bądź z odgazowania kopalń, z tzw. świadectw fioletowych. 4. Należy zauważyć, że do przeprowadzonej analizy nie wzięto pod uwagę zysków, jakie mogą być generowane przez ewentualne uzyskanie certyfikatów efektywności energetycznej. 5. Efektywność inwestycji może być zwiększona, po uzyskaniu dotacji z funduszu europejskiego w ramach programów pomocowych. 6. Zabudowa układu poligeneracyjnego w zakładzie zwiększa bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej do odbiorów wrażliwych na ciągłość dostaw energii elektrycznej oraz zwiększa elastyczność w zakresie gospodarki energią elektryczną i ciepłem. 7. Eksploatacja układu poligeneracyjnego, wpływa na osiągane efekty finansowe przedsiębiorstwa, poprzez zmniejszenie dostaw droższej energii elektrycznej i ciepła z dotychczasowych konwencjonalnych źródeł. 8. W przypadku zaistnienia przerwy w dostawach energii elektrycznej z sieci dystrybucyjnej lokalnego operatora, posiadanie zespołu poligeneracyjnego umożliwia utworzenie wyspy, pozwalającej na zasilanie urządzeń wymagających ciągłości zasilania, z uwagi na zapewnienie bezpieczeństwa osób i mienia zakładowego. Piśmiennictwo [1] Skorek J.: Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej gazowych układów kogeneracyjnych małej mocy. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. [2] Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne. WNT, Warszawa 2006. [3] Przygrodzki M.: Modelowanie rozwoju sieci elektroenergetycznej współpracującej ze źródłami rozproszonymi. Monografia. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. [4] Findeisen W., Szymanowski J., Wierzbicki A.: Teoria i metody obliczeniowe optymalizacji. PWN, Warszawa 1980. [5] Ustawa z dnia 10 kwietnia.1997 r. Prawo energetyczne (Dz. U. nr 54/1997, poz. 348 z późn. zm.). [6] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 lipca 2011 r. w sprawie sposobu obliczania danych we wniosku o wydanie świadectw pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych świadectw, uiszczenia opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzenia danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji (Dz. U. nr 176/2011, poz. 1062).