PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z CIEPŁA SPALIN AGREGATU KOGENERACYJNEGO Autor: Stanisław Szwaja ("Rynek Energii" - grudzień 2014) Słowa kluczowe: odzysk ciepła, parowy obieg Rankine a, opłacalność inwestycji Streszczenie. W artykule przedstawiono analizę termodynamiczną obiegu Rankine a z turbiną kondensacyjną pracującą na czynniku roboczym para-woda i opłacalność takiej inwestycji w przypadku zastosowania instalacji do agregatu kogeneracyjnego. Przedstawiono bilans energijny całego obiegu oraz poszczególnych jego elementów. Potwierdzono celowość stosowania takiego sposobu odzysku ciepła i konwersji na energię elektryczną przy założeniu utrzymania kosztów inwestycyjnych na niezbędnym minimum i dążenia do uzyskania maksimum opłat ekologicznych w tym certyfikatów energetycznych. 1. WSTĘP Kogeneracja energii elektrycznej i ciepła obecnie może być przy stosowaniu certyfikatów energetycznych bardzo atrakcyjnym przedsięwzięciem pod względem jego dochodowości. W Polsce wspieranie instalacji produkujących odnawialną energię składa się z trzech elementów: dotacji, preferencyjnych kredytów, dopłat do wyprodukowanej energii w formie tzw. certyfikatów energetycznych. Dotacje i kredyty preferencyjne dotyczą przede wszystkim wsparcia w zakresie kosztów inwestycji i nie stanowią impulsu do rozwoju, jeśli koszty eksploatacji danego urządzenia okażą się być za wysokie w porównaniu do przynoszonych zysków. Natomiast dopłaty w postaci certyfikatów dotyczą kosztów eksploatacyjnych i z tego względu dopłaty te podnoszą atrakcyjność eksploatacji alternatywnych urządzeń wytwarzania energii przyczyniając się do ich rozwoju. Certyfikaty są prawem majątkowym potwierdzającym pochodzenie wytworzonej energii elektrycznej lub ciepła. Wydawaniem certyfikatów zajmuje się Prezes Urzędu Regulacji Energetyki (URE). Właściciel certyfikatu może go odsprzedać w transakcjach bezpośrednich lub poprzez Towarową Giełdę Energii. Cena certyfikatu ustalana jest jako kwota dopłaty do 1 MWh energii elektrycznej wyprodukowanej przez właściciela danego urządzenia energetycznego. Najbardziej atrakcyjną formą dopłaty do wytwarzanej energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych jest certyfikat zielony. Należy się spodziewać, że jego cena nie będzie znacząco dobiegać od kwoty opłaty zastępczej ustalonej przez URE na poziomie 303 zł/mwh.
2. KONWERSJA CIEPŁA ODPADOWEGO NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Ciepło ze spalin można odzyskać poprzez wmontowanie wymienników spaliny-woda w kanale spalinowym. Takie rozwiązanie jest celowe w przypadku gdy występuje zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową lub na parę nasyconą o względnie niskiej wartości ciśnienia i temperatury do celów technologicznych. W przypadku prób wykorzystania ciepła odpadowego spalin do produkcji energii elektrycznej należy dysponować ciepłem o relatywnie wysokiej temperaturze. Potencjał energetyczny takiego ciepła wynika bezpośrednio z bilansu egzergetycznego. Można wstępnie określić opłacalność takiej inwestycji gdy temperatura tego ciepła jest powyżej 500ºC, jak to ma miejsce w przypadku spalin tłokowego silnika stacjonarnego. W takim przypadku można z powodzeniem stosować klasyczny obieg Rankine a wykorzystujący wodę jako czynnik roboczy [2,5]. Barierą jest tutaj wysoka temperatura wrzenia wody w warunkach normalnych, co uniemożliwia jakąkolwiek konwersję ciepła niskotemperaturowego na energię elektryczną. A zatem ciepło z płaszcza wodnego silnika okazuje się być zupełnie nieprzydatne. W takich przypadkach poszukuje się rozwiązań w kierunku zmiany czynnika roboczego. Zamiast wody stosuje się ciecze niskowrzące, które mogą skutecznie zastąpić wodę [1,3,4]. W artykule przedstawiono analizę wykorzystania ciepła wysokotemperaturowego spalin silnikowych do wytwarzania energii elektrycznej w klasycznym obiegu Rankine a. Analizę przeprowadzono w oparciu o model analityczny, zaimplementowany w programie Ebsilon Professional, służącym do analizy m.in. wodno-parowych obiegów termodynamicznych. Podstawowymi elementami zamodelowanego obiegu są: kocioł odzysknicowy złożony z: - podgrzewacza ekonomizera, - parownika, - przegrzewacza pary, turbina, skraplacz, 2 pompy obiegowe wody, zbiornik zasilający pełniący funkcję odgazowywacza (deaerator). Dodatkowo model wyposażono w: zawór izentalpowo-dławiący, rozdzielacz pary do odgazowywacza, obieg wody chłodzącej skraplacz, obieg wodny, niskotemperaturowy do otrzymywania ciepłej wody użytkowej, zamontowany za ekonomizerem.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat modelu obliczeniowego z podanymi wartościami ciśnienia, entalpii, temperatury i wydatku masowego w poszczególnych punktach obiegu. Dane wejściowe do obiegu są następujące: spaliny: wydatek masowy = 1,8kg/, temperatura = 550ºC (taką ilość spalin może emitować w zależności od nastaw eksploatacyjnych biogazowy silnik spalinowy o mocy nominalnej na poziomie 1,4 1,8 MW, obieg wody chłodzącej skraplacz: wydatek masowy = 4,9 kg/s i temperatura 25ºC dla wody dopływającej do skraplacza oraz 60ºC dla wody opuszczającej skraplacz, obieg c.w.u.: wydatek = 1 kg/s, temperatura wody wejściowej = 12ºC, temperatura wody wyjściowej = 42ºC, główny obieg wodno-parowy: - ciśnienie wejściowe do kotła = 18 bar, temperatura wody = 100ºC, - ciśnienie przed turbiną = 16 bar, temperatura pary = 350ºC, - stopień suchości pary za turbiną X = 0,958, - ciśnienie za turbiną = 250mbar, - temperatura za turbiną 65ºC, - wydatek pary do aeratora = 6% wyd. z kotła, - turbina: sprawność izentropowa = 0,8. Rys. 1. Schemat zamodelowanej instalacji do konwersji ciepła odpadowego spalin silnikowych
Jak wspomniano, analizę numeryczną przeprowadzono przy wykorzystaniu programu Ebsilon Professional. Jest to program dający możliwości swobodnego budowania obiegów termodynamicznych przy wykorzystaniu bogatej bazy wymienników oraz umożliwiający formowanie ich charakterystyk, co sprawia, że uzyskane obliczenia w praktyce odzwierciedlają rzeczywisty stan termodynamiczny obiektu, oczywiście pod warunkiem jego prawidłowego zamodelowania przez użytkownika. W tabeli 1 przedstawiono składniki bilansu energijnego dla kompletnej instalacji z rysunku 1. Tabela 1. Bilans energijny Lp Urządzenie Moc tracona/ oddana, kw 1 Pompa nr 1 1 2 Ekonomizer 151 3 Parownik 650 4 Przegrzewacz 118 5 Prądnica (cos = 0,8) z turbiną 174 6 Skraplacz 719 7 Pompa nr 2 0,04 8 c.w.u. ze spalin 125 Jak wynika z bilansu energijnego, duża ilość ciepła niskotemperaturowego ze skraplacza na poziomie ponad 700 kw nie może zostać efektywnie wykorzystana z powodu jego niskiej temperatury nie przekraczającej 60ºC. Tym niemniej, jest ciepło na tyle atrakcyjne, że może służyć do podgrzewu ciepłej wody użytkowej lub ogrzewania pomieszczeń przy założeniu, ciągłego odbioru tej wody na poziomie niemalże 5 dm3/s. Ciepło pozyskane w tym samym celu z podgrzewacza wody (wymiennik c.w.u. spaliny-woda) ma niższą temperaturę i mniejszy wydatek, a zatem nie stanowi atrakcyjnego zagospodarowania resztkowego ciepła spalin. Tym bardziej, że może powodować wychładzanie się spalin do temperatury poniżej punktu kondensacji pary, co wpływa na korozyjne zużycie wymiennika i postawi przed obsługą problem z kondensatem wodnym ze spalin silnikowych. 3. OPŁACALNOŚĆ INWESTYCJI Instalacja obiegu Rankine a dla mocy na poziomie kilkuset kw intuicyjnie wydaje się być nieuzasadniona, ponieważ osiągana sprawność ogólna układu jest znacznie niższa od sprawności dużych systemów energetyki zawodowej. Dodatkowo, niski koszt paliwa (węgiel) również nie stanowi czynnika stymulującego rozwój takich niewielkich instalacji. Z drugiej strony, w przypadku konwersji na energię elektryczną ciepła odpadowego, paliwo jest darmowe. Ponadto istnieje finansowe wsparcie dla wdrażania wysokosprawnych technologii energetycznych. Zatem przeprowadzono uproszczoną analizę opłacalności przedsięwzięcia, mającą wykazać jego pozytywne aspekty pod względem finansowym. W tabeli 2 przedstawiono
koszty inwestycyjne i eksploatacyjne dla ww. instalacji. W kosztach eksploatacyjnych uwzględniono odpis amortyzacyjny przy założonym okresie eksploatacji równym 15 lat. Nie uwzględniono obsługi kredytowej. Tabela 2. Orientacyjne koszty dla instalacji Lp Koszty inwestycyjne* PLN (netto) 1 Turbina kondensacyjna 450 000 2 Prądnica synchroniczna 170 kw, 1500 obr/min 120 000 3 Przekładnia 7000/1500 obr/min 30 000 4 Kocioł odzysknicowy (ekonomizer, parownik, przegrzewacz) 600 000 5 Skraplacz 80 000 6 Stacja uzdatniania wody 20 000 7 Zbiornik zasilający 20 000 8 Pozostałe: pompy, osprzęt sterujący dla turbiny, prądnicy, kotła, chłodnica wody zas., montaż itp. 300 000 Suma 1 620 000 Roczne koszty eksploatacyjne 9 Okresowe przeglądy 25 000 10 Nadzór i obsługa bieżąca 80 000 11 Odpis amortyzacyjny 108 000 Suma 213 000 * kwoty orientacyjne w oparciu o m.in. przegląd ofert dostawców i producentów z Chin i Indii, gdzie uwzględniono koszt transportu. W tabeli 3 zamieszczono podstawowe dane dotyczące kwoty przychodów ze sprzedaży energii elektrycznej z instalacji przy uwzględnieniu wsparcia certyfikatem zielonym i bez tego wsparcia. Tabela 3. Przychód Lp Wielkość Ilość 1 Moc zainstalowana, kw 170 2 Roczny okres eksploatacji, h 8000 3 Roczna ilość wyprodukowanej energii elektrycznej, MWh 1360 4 Cena energii elektrycznej, zł/mwh 180 5 Cena certyfikatu zielonego, zł/mwh 240 6 Roczny przychód ze sprzedaży energii el. bez cert. zielonego, zł 244 800 6 Roczny przychód ze sprzedaży energii el. z cert. zielonym, zł 571 200 W tabeli 4 przedstawiono czas zwrotu z inwestycji liczony w sposób prosty przy założeniu inflacji na poziomie 0% dla 4 różnych wariantów obciążenia i wsparcia finansowego dla instalacji.
Tabela 4. Czas zwrotu z inwestycji Lp Czas zwrotu z inwestycji Czas 1 bez certyfikatu zielonego, z odpisem amortyzacyjnym 50 lat 11 miesięcy 2 bez certyfikatu zielonego, bez odpisu amortyzacyjnego 11 lat 10 miesięcy 3 z certyfikatem zielonym, z odpisem amortyzacyjnym 4 lata 5 miesięcy 4 z certyfikatem zielonym, bez odpisu amortyzacyjnego 3 lata 6 miesięcy Jak można zauważyć najbardziej atrakcyjnie prezentuje się wariant 3 przy wsparciu certyfikatem zielonym oraz odpisem amortyzacyjnym na pełne odnowienie instalacji po 15 latach eksploatacji. 4. PODSUMOWANIE - WNIOSKI Produkcja energii elektrycznej poprzez konwersję ciepła odpadowego odzyskiwanego ze spalin silnika spalinowego dużej mocy należy uznać za atrakcyjne przedsięwzięcie pod względem ekonomicznym i ekologicznym. Instalacja odzysku ciepła i produkcji energii elektrycznej ze spalin silnika stacjonarnego dużej mocy zbudowana w oparciu o klasyczny, parowo-wodny obieg Rankine a może charakteryzować się czasem zwrotu z inwestycji na poziomie około 5 lat, przy założeniu, że przedsięwzięcie takie zostanie odpowiednio dofinansowane poprzez wsparcie finansowe za pomocą zielonego certyfikatu energetycznego. Podstawowym problemem natury technicznej jest chłodzenie skraplacza. Dla przedstawionej instalacji należy zapewnić odbiór ciepła niskotemperaturowego w ilości około 700 750 kw. Zatem należy dysponować relatywnie dużym jak na warunki rozproszonej kogeneracji dolnym źródłem ciepła, np. w postaci kilkunastu studni, dużego stawu lub niewielkiej rzeki. Nie jest celowe stosowanie podgrzewacza c.w.u. instalowanego za ekonomizerem w kanale spalinowym. Koszt inwestycyjny takiego wymiennika jest wyższy od wymiennika płytowego typu woda-woda, który można zastosować w obiegu chłodzenia skraplacza. Ilość ciepła możliwa do otrzymania jest znacząco mniejsza od tej, jaką można uzyskać ze skraplacza. Koszt inwestycji oceniono głównie na podstawie cen usług i dostaw z Dalekiego Wschodu, jednakże wstępne rozeznanie krajowego potencjału wytwórczego pozwala optymistycznie wyrokować odnośnie realizacji całości inwestycji przez polskich producentów.
Praca wykonana w ramach projektu PBS II nr 210698 pt. Utylizacja osadu pofermentacyjnego z biogazowni na potrzeby produkcji energii elektrycznej. LITERATURA [1] Bartela Ł., Brzęczek M.: Analysis of the use of cooling heat of compressed gas to supply the Rankine cycle with a low-boiling medium, Rynek Energii 2014, nr 4(113). [2] Cupiał K., Szwaja S.: The IC engine energetically combined with the steam turbine, Combustion Engines 2011, No. 3/2011 (146), PTNSS-2011-SC-118. [3] Mikielewicz D., Wajs J., Bajor M., Barcicka K.: Współpraca bloku gazowo parowego z obiegiem ORC, Rynek Energii 2014, nr 1(110). [4] Srinivasan K.K., Mago P.J., Krishnan S.K.: Analysis of exhaust waste heat recovery from a dual fuel low temperature combustion engine using an Organic Rankine Cycle, Energy 2010, 35, pp. 2387-2399. [5] Talom H.T., Beyene A.: Heat recovery from automotive engine, Applied Thermal Engineering, 2009, Vol. 29, 2-3, pp. 439-444. POWER GENERATION FROM EXHAUST GASES FROM THE COGENERATION SET Key words: heat recovery, steam Rankine cycle, economical benefits Summary. Both thermodynamic analysis of the steam Rankine cycle with a condensing turbine and economical benefits coming from applying this system to a heat and power cogeneration set have been presented in the paper. Energy balance for the complete system as well as for particular devices has been calculated. Economical profits from this business has been discussed and confirmed as the attractive venture under terms of minimum investment costs and maximum financial support by ecological certificates. Stanisław Szwaja, dr hab. inż., prof. PCz, zatrudniony na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej, e-mail: szwaja@imc.pcz.czest.pl