Mgr inŝ. Witold Płatek Stowarzyszenie NiezaleŜnych Wytwórców Energii Skojarzonej / Centrum Elektroniki Stosowanej CES Sp. z o.o. Element budowy bezpieczeństwa energetycznego Elbląga i rozwoju rozproszonej Kogeneracji na ziemi elbląskiej Kogeneracja gazowa jest to skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w oparciu o paliwo gazowe w modułach z silnikami gazowymi, turbinami lub ogniwami paliwowymi. PowyŜsze rozwiązanie techniczne wpisuje się w zasadę zrównowaŝonego rozwoju oraz ochronę klimatu poprzez: - zmniejszenie zuŝycia paliwa pierwotnego, - minimalizację strat przesyłowych, - zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do środowiska (CO 2,NO x ). Instalacje kogeneracyjne mają szerokie zastosowanie jako źródła energii rozproszonej w systemach w których istnieje jednoczesne zapotrzebowanie na energie elektryczną i cieplną. Ciepłownie miejskie, zakładowe, szpitale, baseny, szklarnie, obiekty handlowo-usługowe czy przemysłowe to tylko niektóre z wielu moŝliwych miejsc instalacji kogeneracji. Z punktu widzenia ekologicznego i efektywności energetycznej kaŝde z wyŝej wymienionych miejsc powinno posiadać kogenerację. Niemniej waŝnym a często decydującym o inwestycji w kogenerację jest efekt ekonomiczny. Dlatego analiza moŝliwości zastosowania kogeneracji powinna uwzględniać trzy wyŝej wymienione aspekty a przede wszystkim ekonomiczny. Systemy CHP (z j. ang. Combined Heat and Power) wykorzystywane są równieŝ w aplikacjach z instalacjami klimatyzacyjnymi (trigeneracja), gdzie elementem produkującym ciepło jest agregat kogeneracyjny, natomiast absorpcyjny agregat wody lodowej (chiller) razem z wieŝą chłodniczą stanowi źródło chłodu (woda lodowa +5 C) wytwarzanego dla potrzeb klimatyzacji.
Rys. Schemat technologiczny układu skojarzonego z moŝliwością produkcji energii elektrycznej, cieplnej, chłodu oraz pary. [Źródło: opracowanie własne CES] Podstawowy system kogeneracyjny składa się z modułu wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, energetycznego układu zabezpieczeń, rozdzielnicy napędów pomocniczych oraz automatycznej instalacji uzupełniania oleju. Moduł kogeneracyjny zbudowany jest w oparciu o silnik tłokowy najczęściej zasilany gazem ziemnym lub biogazem powstałym na skutek fermentacji osadów ściekowych, odpadów komunalnych, biomasy, itp. Silnik gazowy posadowiony jest na wspólnym wale z prądnicą synchroniczną, praca tych elementów umoŝliwia produkcję energii elektrycznej. Na skutek spalania gazu w silniku powstaje ciepło składające się na całkowitą produkcję energii cieplnej urządzenia. Odbierane jest ono przez układ wymienników ciepła. Natomiast jego pozostała część wypromieniowana zostaje z korpusu silnika do atmosfery. Ciepło poprzez układ wodny (90/70 C), zintegrowany z modułem CHP, odprowadzane jest do zewnętrznej instalacji grzewczej i wykorzystywane jako ciepło uŝytkowe (dla potrzeb socjalnych, procesów technologicznych, itp.).
Rys. Bilans energetyczny urządzenia kogenaracyjnego [Źródło: opracowanie własne CES] 1. Efektywność energetyczna systemu kogeneracyjnego (CHP) Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu CHP w pobliŝu miejsc rozbioru mediów stanowi doskonały sposób ochrony zasobów energetycznych Ziemi. Lokalne wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła eliminuje straty przesyłowe i ułatwia dopasowanie do rzeczywistego zapotrzebowania energetycznego oraz zwiększa bezpieczeństwo energetyczne. Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu, zrealizowane na bazie silników gazowych zasilanych gazem ziemnym, to nie tylko sprawność systemu rzędu 90%, lecz takŝe skuteczne obniŝenie emisji CO 2, w stosunku do tradycyjnego pozyskiwania energii elektrycznej i cieplnej.
2. Aspekt ekologiczny Zastosowanie urządzeń kogeneracyjnych zmniejsza wykorzystanie energii pierwotnej nawet o 1/3 w porównaniu z energią pierwotną dostarczaną do konwencjonalnych systemów ciepłowniczych. Dzięki wytwarzaniu energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu następuje redukcja emisji dwutlenku węgla CO 2 oraz zmniejszenie emisji związków zanieczyszczających powietrze pochodzących ze spalania paliw konwencjonalnych SO x, NO x. W silnikach gazowych energia gazu (metanu) jest przekształcana w energię mechaniczną (a w konsekwencji elektryczną i cieplną) w procesie wybuchowego spalania (taki proces jest charakterystyczny dla pracy silników spalinowych). Ten sposób spalania gwarantuje bardzo niską emisję CO 2 do atmosfery. Rys. Bilans energetyczny konwencjonalnych systemów zasilania w porównaniu z systemami CHP [Źródło: opracowanie własne CES]
3. Ekonomiczny aspekt zastosowania układu kogeneracyjnego działającego w oparciu o gaz ziemny. Wysoko wydajna technologia skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła wynosi ok. 90%, gwarantuje wymierne korzyści ekonomiczne na poziomie od kilkuset tysięcy do milionów złotych oszczędności rocznie. Oszczędności te dotyczą zarówno eksploatacji modułu kogeneracyjnego oraz sprzedaŝy Świadectw Pochodzenia energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z ciepłem tzw. Ŝółtych certyfikatów. W celu zobrazowania korzyści ekonomicznych, poniŝej przeanalizowano przykład zastosowania modułu kogeneracyjnego na gaz ziemny GZ-50 o mocy elektrycznej 357 kw i mocy cieplnej 529 kw. Przyjęte załoŝenia: 1. Moc elektryczna modułu kogeneracyjnego 357 kw 2. Moc cieplna modułu kogeneracyjnego 529 kw 3. Cena zakupu energii elektrycznej 0,30 zł netto / 1kWh 4. Cena zakupu gazu ziemnego 1,34 zł netto / 1m 3 5. Cena kogeneratora wytwarzającego 357 kw mocy elektrycznej oraz 529 kw ciepła wraz z osprzętem wynosi ok. 1 200 000 zł netto 6. Koszty dodatkowe związane z włączeniem kogeneratora w aktualny system elektroenergetyczny i cieplny w zaleŝności od zakresu prac, przyjęto 200.000 zł netto. 7. Roczne koszty eksploatacyjne 120.000 zł netto Koszty ponoszone: Sposób tradycyjny: energia elektryczna z ZE energia cieplna wytwarzana z gazu ziemnego Roczne koszty energii elektrycznej: 357kW x 24h x 50 x 7 dni x 0,30 zł = = ok. 900 000 PLN Roczne koszty energii cieplnej: Sprawność kotła gazowego: 90% (529 kw / 0,9 ) / 10 = 58,8 m3/h 58,8 m3 x 24 x 50 x 7 dni x 1,34zł = = ok. 662 000 PLN Łączne koszty zakupu energii elektrycznej i gazu: 900 000 + 662 000 = 1 562 000 PLN Z wykorzystaniem kogeneracji: (jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej z gazu ziemnego) Dobrano kogenerator, który do produkcji 357kWel / 529kWciepl / 987 kw w ciągu roku zuŝywa 98,7m3/h gazu ziemnego. Koszt zapotrzebowania na gaz: 98,7 m3 x 24 x 50 x 7 dni x 1,34 zł = = ok. 1 111 000 PLN Koszty rocznej obsługi serwisowej agregatu wynoszą: koszt obsługi agregatu 120 000 PLN Łączne koszty eksploatacji agregatu: 1 111 000 + 120 000 = 1 231 000 PLN SprzedaŜ Ŝółtych certyfikatów: 357kW x 24h x 50 x 7 dni x 0,12 zł = = ok. 360 000 PLN Roczne oszczędności: 1 562 000 zł 1 231 000 + 360 000 zł = 691 000 PLN Koszt zakupu agregatu wynosi ok. 1 400 000 zł, zatem zwróci się on po około 2 latach eksploatacji.
10 000 000 zł 8 965 000,00 zł 8 000 000 zł 6 000 000 zł 5 390 409,33 zł NPV 4 000 000 zł 2 000 000 zł 0 zł -2 000 000 zł 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 rok inwestycji zysk prosty (i=0) zysk NPV (i=6%) Wykres. Przepływy finansowe inwestycji. [Źródło: opracowanie własne CES]