Racjonalizacja zuŝycia ciepła

WYDZIAŁ INśYNIERII ŚRODOWISKA Racjonalizacja zuŝycia ciepła Wykład 5 Wskaźniki nieodnawialnej energii pierwotnej oraz emisji CO2 dla scentralizowanych systemów zaopatrzenia w ciepło oraz systemów zaopatrzenia w ciepło budynków

Polski sektor energetyczny charakteryzuje się wysokimi wskaźnikami emisji gazów cieplarnianych przypadających na jednostkę produkowanej energii. Emisja CO 2 z 2003 r. dla ciepła scentralizowanego dostarczonego do odbiorców końcowych wg. ECOHEATCOOL Jednostkowe wskaźniki emisji CO 2 dla produkcji energii elektrycznej w Europie, (za Nowak 2008) page 2

Metodyka PN-EN 15603:2008 (U) DIN V 4701-10 Obszary zastosowań Świadectwa energetyczne budynków Wskaźniki nieodnawialnej energii pierwotnej Obowiązek promowania przez kraje członkowskie rozwiązań technicznych zmierzających do poszanowania zasobów, w tym skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz wykorzystania odnawialnych źródeł energii w nowym budownictwie (Artykuł 5 Dyrektywy KE/91/2002) Wyznaczanie efektów ekologicznych dla projektów inwestycyjnych finansowanych z GEF i GIS page 3

Definicja PRF (Primary Resource Factor) page 4

Wskaźniki nieodnawialnej energii pierwotnej dla róŝnych nośników energii Wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej (primary resource factor PRF) pozwala określić oszczędności i straty na drodze od pozyskania nośnika energii do dostarczenia jej do budynku. Wskaźnik w i będący miarą PRF wyraŝa stosunek energii nieodnawialnej QP do końcowej energii dostarczonej do budynku QE: w i = QP / QE 1 wsp. nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej przyjęty zgodnie z Rozporządzeniem 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-uŝytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (Dz. U. z 2008 r. Nr 201, poz. 1240, z późn. zm.) 2 zgodnie z definicją art. 3 pkt 20 ustawy Prawo Energetyczne Dr inŝ. (Dz. Andrzej U. z 2006 Wiszniewski r. Nr 89, poz. 625, z późn. zm.) 3 w przypadku braku informacji o parametrach energetycznych ciepła sieciowego z elektrociepłowni, przyjmuje się w = 1,2 page 5

Metodyka określenia wskaźnika nieodnawialnej energii pierwotnej dla systemów ogrzewania Wartość dla energii elektrycznej została ustalona w oparciu o legislację europejską (projekt Dyrektywy w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych podaje taką wartość w aneksie). Wartość 2,5 odzwierciedla 40 % przeciętną efektywność produkcji energii elektrycznej w UE. W Polsce efektywność ta jest niŝsza, dlatego wskaźnik f P,el będący miarą współczynnika PRF oblicza się według następującego wzoru : w i,el = Σ w i,mix = Σ (ilość w procentach * w i,j, ) gdzie: w i,j, wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla poszczególnych paliw w i,el wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej page 6

Wskaźnik w i,dh dla przedsiębiorstwa ciepłowniczego page 7

Wskaźnik f p,dh dla przedsiębiorstwa ciepłowniczego gdzie: Qfuel,j fp,fuel,j Qfuel,k fp,fuel,k QHP,ext fp,fuel,hp,ext WPS,net WEl WHP,ext WWH,ext WCHP,net WCHP,net,ext + f P, DH = Q fuel, j f P, fuel, j + Q fuel, k f P, fuel, k + QHP, ext j k Q DH, i f P, fuel, HP, ext ( WPS, net + WEl + WHP, ext + WWH, ext WCHP, net WCHP, net, ext ) QDH, i ciepło dostarczone z j-tym paliwem do przedsiębiorstwa ciepłowniczego wskaźnik w i dla j-tego paliwa dostarczonego do przedsiębiorstwa ciepłowniczego ciepło dostarczone z k-tym paliwem do zewnętrznego systemu CHP wskaźnik w i dla k-tego paliwa dostarczonego do zewnętrznego systemu CHP ciepło dostarczone z zewnętrznej ciepłowni wskaźnik w i dla paliwa dostarczonego do zewnętrznej ciepłowni energia elektryczna pobrana z wewnętrznego systemu CHP przez przedsiębiorstwo ciepłownicze energia elektryczna pobrana z sieci elektrycznej przez przedsiębiorstwo ciepłownicze energia elektryczna zasilająca zewnętrzne ciepłownie energia elektryczna zasilająca zewnętrzne instalacje ciepła odpadowego energia elektryczna z wewnętrznych systemów CHP zasilająca sieć elektryczną energia elektryczna z zewnętrznych systemów CHP zasilająca sieć elektryczną f P, El page 8

Obliczenie wskaźnika PEF dla istniejącego przedsiębiorstwa ciepłowniczego sieć elektryczna W e l W C H P, n e t ΣQ f u e l, j system CHP ciepłownia ΣQ f u e l, k końcowy odbiorca ΣQ D H, i granica przedsiębiorstwa ciepłowniczego page 9

w P, DH = gdzie: Qfuel,j fp,fuel,j Qfuel,k fp,fuel,k WEl WCHP,net do fp,el QDH,i j Q fuel, j f P, fuel, j + Obliczenie wskaźnika w i dla istniejącego przedsiębiorstwa ciepłowniczego k Q fuel, k Q f P, fuel, k DH, i ( W W ) ciepło dostarczone z i-tym paliwem do ciepłowni wskaźnik energii pierwotnej w i dla i-tego paliwa dostarczonego do ciepłowni ciepło dostarczone z k-tym paliwem do systemu CHP wskaźnik energii pierwotnej w i dla k-tego paliwa dostarczonego do systemu CHP energia elektryczna pobrana z sieci elektrycznej przez przedsiębiorstwo ciepłownicze energia elektryczna z systemu kogeneracyjnego CHP oddana sieci elektrycznej wskaźnik energii pierwotnej w i,el dla energii elektrycznej energia końcowa odbierana w instalacjach budynków + El CHP, net f P, El page 10

Obliczenie wskaźnika PEF dla istniejącego przedsiębiorstwa ciepłowniczego dane paliwo dostarczane do ciepłowni [GJ] wskaźnik energii pierwotnej [-] węgiel kamienny 591256 1,10 mazut 1050 1,10 paliwo dostarczane do CHP [GJ] wskaźnik energii pierwotnej [-] węgiel kamienny 62246631 1,10 mazut 434197 1,10 Ekoterm 8639 1,10 biomasa 234870 0,20 bilans energii elektrycznej [MWh] wskaźnik energii pierwotnej [-] energia elektryczna pobierana z sieci 632083 2,956 energia elektryczna oddana do sieci 4333700 2,956 energia końcowa [GJ] - energia końcowa w instalacjach 38049412 - wynik wskaźnik energii pierwotnej PEF dla systemu energetycznego 0,80 page 11

Wskaźnik dla scentralizowanego systemu ciepłowniczego wykorzystującego paliwa kopalne. ZaleŜność współczynnika PRF dla ciepła sieciowego od udziału ciepła produkowanego w skojarzeniu oraz sprawności elektrycznej układu kogeneracyjnego PRF dla ciepła sieciowego 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1-0,1 η CHP = 0,8 η HP = 0,9 η dystr = 0,95 f weg = 1,1 f el = 2,956 Ciepłownia Elektrociepłownia Q CHP /Q całk 100% 70% 50% 30% 0% -0,3 7% 12% 17% 22% 27% 32% 37% 42% Sprawność elektryczna page 12

Wskaźnik scentralizowanego systemu ciepłowniczego wykorzystującego odnawialne nośniki energii ZaleŜność współczynnika PRF dla ciepła sieciowego od udziału ciepła produkowanego w skojarzeniu oraz udziału biomasy w paliwie 1,5 PRF dla ciepła sieciowego 1,0 Ciepłownia Q CHP /Q całk. 0,5 η CHP = 0,8 η HP = 0,9 η dystr = 0,95 δ = W/Q = 0,4 f weg = 1,1 f biom = 0,1 f el = 2,956 0,0-0,5 Elektrociepłownia -1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Udział biomasy w paliwie 100% 70% 50% 30% 0% page 13

Wskaźniki emisji CO 2 dla systemów zaopatrzenia w ciepło Obliczenia ekologicznych skutków oddziaływania systemów energetycznych opierają się na wskaźniku nieodnawialnej energii pierwotnej. Całkowita emisja CO2 zaleŝy od szczególnego wskaźnika przypisanego wykorzystywanym paliwom. Wykorzystując poniŝszy wzór, moŝna określić wskaźniki emisji dla róŝnych technologii ogrzewania: gdzie: K w i K f,del,i K = w i K f,del,i wskaźnik emisji CO2 dla systemu wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej szczególny wskaźnik CO2 dla danego paliwa page 14

Wskaźniki K f,del,i emisji CO 2 dla paliw page 15

Wskaźniki K f,del,i emisji CO 2 dla paliw page 16

page 17 PROCEDURA OBLICZANIA REDUKCJI ZUśYCIA ENERGII KOŃCOWEJ DLA BUDYNKÓW Energia chemiczna zawarta w nośniku energii, Nośnik energii GJ/rok Stan przed Stan po modernizacją modernizacji RóŜnica 1) (kol. 2 kol. 3) 1 2 3 4 Lekki olej opałowy Gaz ziemny Gaz płynny Węgiel kamienny Węgiel brunatny Biomasa Ciepło sieciowe z ciepłowni węglowej Ciepło sieciowe z ciepłowni gazowej/olejowej Ciepło sieciowe z ciepłowni na biomasę Ciepło sieciowe z elektrociepłowni węglowej, gazowej Ciepło sieciowe z elektrociepłowni opartej na energii odnawialnej (biogaz, biomasa) Energia elektryczna 2) Inny 1) W przypadku zwiększenia energii chemicznej danego nośnika energii w wyniku przeprowadzenia modernizacji wartość naleŝy poprzedzić znakiem minus. 2) Wartość energii elektrycznej uwzględnia produkcję energii elektrycznej w budynku (zgodnie z metodą zawartą w punkcie 5. Aneksu). Wartości energii chemicznej zawartej w nośnikach energii naleŝy określić dla poszczególnych rodzajów wykorzystania energii końcowej, a następnie zsumować dla kaŝdego nośnika energii. Obliczenia naleŝy wykonać, stosując niŝej wymienione metody (szczegółowo opisane w Aneksie) i wykorzystując wyniki Dr inŝ. obliczeń Andrzej audytu Wiszniewski energetycznego wykonanego zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a takŝe algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (Dz. U. nr 43, poz. 346).

PROCEDURA OBLICZANIA REDUKCJI ZUśYCIA ENERGII KOŃCOWEJ DLA BUDYNKÓW (CD.) Rodzaj wykorzystania energii końcowej Ogrzewanie, wentylacja i przygotowanie ciepłej wody Chłodzenie i wentylacja Oświetlenie Inne (np. zasilanie wind, podgrzewanie wody basenowej) Źródło metody PN-EN ISO 13790:2009. Energetyczne właściwości uŝytkowe budynków -- Obliczanie zuŝycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a takŝe algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (Dz. U. nr 43, poz. 346). Załącznik 1. Część 3. 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-uŝytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (Dz. U. nr 201, poz. 1240). Załącznik 5. PN-EN ISO 13790:2009. Energetyczne właściwości uŝytkowe budynków -- Obliczanie zuŝycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia. 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-uŝytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (Dz. U. nr 201, poz. 1240). Załącznik 6. Projekt Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-uŝytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej, maj 2008. Obliczane wg: obowiązujących przepisów, dokumentacji technicznej budynku i instalacji oraz urządzeń, wiedzy technicznej oraz wizji lokalnej obiektu, dostępnych danych katalogowych urządzeń i elementów instalacji. page 18

Sposób uwzględnienia energii elektrycznej wytworzonej w indywidualnym źródle energii W zestawieniu naleŝy uwzględnić ilość energii elektrycznej wytwarzanej w indywidualnym źródle energii (np. jednostce kogeneracji, systemie PV itp.) poprzez odjęcie jej od całkowitego zuŝycia energii elektrycznej (m.in. do oświetlenia, systemów pomocniczych): Energia E el elektryczn a = E el, K E el, g, out [ MWh / a ], g, out = E f, del ηel, g [ MWh/ a] (1) (2) page 19

PROCEDURA OBLICZANIA EFEKTU EKOLOGICZNEGO Przedsięwzięcie polegające na budowie, rozbudowie lub modernizacji jednostek wytwórczych energii cieplnej na spełniające wymogi wysokosprawnej kogeneracji. / Przedsięwzięcie polegające na modernizacji istniejącej sieci, w tym jej rozbudowie lub przebudowie z optymalizacją. / Przedsięwzięcie polegające na likwidacji węzłów grupowych i budowie węzłów indywidualnych. gdzie: Miarę efektu ekologicznego określa się ze wzoru: EE = EE DH EE 1 DH 2 (1) EE miara efektu ekologicznego redukcja emisji CO 2 MgCO 2 emisja dwutlenku węgla dla systemu ciepłowniczego przed realizacją EE DH 1 MgCO 2 przedsięwzięcia emisja dwutlenku węgla dla systemu ciepłowniczego po realizacji EE DH 2 MgCO 2 przedsięwzięcia page 20

gdzie: E f, del, i w i K f, del, i E el E el,exp w el K el EE DH 1 = Emisja dwutlenku węgla dla systemu ciepłowniczego ( E f, del, i wi K f, del, i ) + ( Eel Eel,exp ) i 1000 w el K el 3,6 energia dostarczona w i-tym paliwie lub cieple do systemu ciepłowniczego (wyłączając ciepło z odzysku i ciepło zakupione do tzw. czystego obrotu bez świadczenia usługi przesyłowej), przyjęta na podstawie formularza URE-C1 za rok ubiegły współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla i-tego paliwa lub ciepła dostarczonego do systemu ciepłowniczego szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla i-tego paliwa dostarczonego do systemu ciepłowniczego lub dla paliwa, z którego wytworzono ciepło dostarczone do systemu ciepłowniczego energia elektryczna pobrana z sieci elektrycznej przez przedsiębiorstwo ciepłownicze (wyłączając energię elektryczną zakupioną do tzw. czystego obrotu - bez świadczenia usługi przesyłowej), przyjęta na podstawie faktur zakupu z ubiegłego roku energia elektryczna sprzedana przez przedsiębiorstwo ciepłownicze (wyłączając energię elektryczną zakupioną do tzw. czystego obrotu - bez świadczenia usługi przesyłowej), przyjęta na podstawie faktur sprzedaŝy z ubiegłego roku współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej, równy 3,0 szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla energii elektrycznej GJ / rok kgco 2 / GJ MWh / rok MWh / rok kgco 2 / GJ przyjmowany jak dla węgla kamiennego, równy 94,58 kgco 2 / GJ W przypadku, gdy podmiot podejmujący realizację przedsięwzięcia jest jedną z grupy jednostek organizacyjnych naleŝących do jednego przedsiębiorstwa, wartości dotyczące ilości paliw, ciepła i energii elektrycznej Dr inŝ. naleŝy Andrzej przyjmować Wiszniewski jako odpowiadające definicjom poszczególnych parametrów znajdujących się w formularzu URE-C1. page 21

PROCEDURA OBLICZANIA EFEKTU EKOLOGICZNEGO Przedsięwzięcie polegające na przyłączeniu nowych odbiorców do sieci. / Przedsięwzięcie polegające na budowie instalacji c.w. w budynkach, do których dostarczane jest ciepło z sieci dla potrzeb c.o. Miarę efektu ekologicznego określa się ze wzoru: ( K K ) DH 1 DH 2 j EE = 1000 gdzie: EE miara efektu ekologicznego redukcja emisji CO 2 MgCO 2 szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla systemu K DH 1 kgco 2 / GJ ciepłowniczego przed realizacją przedsięwzięcia szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla systemu K DH 2 kgco 2 / GJ ciepłowniczego po realizacji przedsięwzięcia zapotrzebowanie na ciepło dla j-tego odbiorcy - w tej części, która ma Q być pokrywana przez ciepło sieciowe w wyniku realizacji LH, j przedsięwzięcia, przyjęte na podstawie dokumentacji technicznej GJ / rok przedsięwzięcia (np. projektu DSM) Q LH, j (1) page 22

Przykład 1 800 Wskaźniki emisji dla róŝnych systemów zaopatrzenia w ciepło budynku Budynek mieszkalny o zapotrzebowaniu na ciepło 450 kw i zuŝyciu na cele centralnego ogrzewania i cwu wynoszącym 3200 GJ/rok, połoŝony w Warszawie 700 600 500 400 300 200 100 0 Kotłownia gazowa + kolektory słon. Wsk. emisji dla ciepła [kg/mwh] Emisja całkowita [Mg/rok] Węzeł ciepłowniczy Pompa ciepła Kotłownia gazowa Kotłownia węglowa Kotłownia na biomasę page 23

Przykład 1 (cd) 2500 Wskaźniki ekonomiczne dla róŝnych systemów zaopatrzenia w ciepło budynku 2000 1500 1000 500 0 Kotłow nia gazow a + kolektory słon. Węzeł ciepłow niczy Pompa ciepła Kotłow nia gazow a Kotłow nia węglow a Kotłow nia na biomasę Koszt inw. [tys. zł] Koszt eksploatacyny [tys zł/rok] LCC [tys zł] page 24

Przykład 2 1. Budynek mieszkalny o rocznym zapotrzebowaniu na ciepło uŝytkowe na cele centralnego ogrzewania i ciepłej wody wynoszącym 8300 GJ/rok oraz na energię elektryczną 1400 MWh/rok, połoŝony w Warszawie. 2. Porównywane są dwa systemy zasilania budynku w ciepło i energię elektryczną: węzeł ciepłowniczy o mocy 1100 kw oraz energia elektryczna z sieci elektroenergetycznej moc zamówiona 770 kw system podstawowy układ skojarzony oparty na silniku tłokowym o mocy cieplnej 220 kw i elektrycznej 150 kw oraz szczytowa kotłownia gazowa z kotłami o mocy 890 kw, dodatkowe zasilanie w energię elektryczną z sieci elektroenergetycznej moc zamówiona 620 kw system alternatywny page 25

Przykład 2 (cd) Schemat układu zasilania dla wariantu podstawowego. Sieć energetyczna Odbiorcy energii elektrycznej Elektrociepłownia Węzeł ciepłowniczy 1100 kw Odbiorcy energii cieplnej Schemat układu zasilania dla wariantu alternatywnego Sieć energetyczna Stacje transformatorowe Odbiorcy energii elektrycznej Gaz Kogeneracja (ciepło + energia el.) moc cieplna 220 kw moc el. 150 kw Zasobnik ciepła Odbiorcy energii cieplnej Gaz Kocioł szczytowy 890 kw page 26

Przykład 2 (cd) page 27

Przykład 2 (cd) page 28

Przykład 3 1. Budynek mieszkalny o rocznym zapotrzebowaniu na ciepło uŝytkowe na cele centralnego ogrzewania i ciepłej wody wynoszącym 8300 GJ/rok, na chłód 1430 GJ/rok oraz na energię elektryczną 1400 MWh/rok, połoŝony w Warszawie [5]. 2. Porównywane są dwa systemy zasilania budynku w ciepło, chłód i energię elektryczną: węzeł ciepłowniczy o mocy 1100 kw, chłodziarki spręŝarkowe o mocy 500 kw oraz energia elektryczna z sieci elektroenergetycznej moc zamówiona 770 kw system podstawowy układ kogeneracyjny z silnikiem gazowym o mocy cieplnej 220 kw i elektrycznej 150 kw, gruntowy wymiennik ciepła o mocy 10 kw, kotłownia gazowa szczytowa o mocy 880 kw, urządzenia chłodnicze absorpcyjne o mocy 140 kw oraz spręŝarkowe o mocy 360 kw, energia elektryczna z sieci elektroenergetycznej moc zamówiona 620 kw system alternatywny page 29

Przykład 3 (cd) Schemat układu zasilania dla wariantu podstawowego. page 30

Przykład 3 (cd) Schemat układu zasilania dla wariantu alternatywnego page 31

Przykład 3 (cd) page 32

Przykład 2 (cd) page 33

Podsumowanie Przedstawiona metodyka ma na celu ujednolicenie metod oceny wpływu na środowisko procesów uŝytkowania energii w budownictwie i moŝe waŝnym elementem promocji stosowania skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz odnawialnych źródeł energii. Przedstawiona metodyka została opracowana przez CEN, w ramach wdraŝania Dyrektywy 91/2002/WE o charakterystyce energetycznej budynków oraz rozwijana jest poprzez realizację projektów programu Unii Europejskiej Inteligentna Energia dla Europy (IEE). Poszczególne kraje członkowskie maja zadanie dostosowanie proponowanej metodyki do lokalnych warunków krajowych, co realizowane jest poprzez uchwalanie norm krajowych przez krajowe komitety normalizacyjne. Uchwalenie pełnej wersji Polskiej Normy oraz wprowadzenie obowiązku jej stosowania moŝe być waŝnym elementem promocji nowoczesnych systemów zaopatrzenia w energię budynków szczególnie nowoprojektowanych, co moŝe doprowadzić do rzeczywistego wdroŝenia postanowień art. 5 Dyrektywy 91/2002/WE. page 34