Str. 58 Rynek Energii r 3(112) - 2014 ZASTOSOWAIA UKŁADÓW MIKROKOGEERACJI GAZOWEJ W BUDYKACH Janusz Skorek Słowa kluczowe: mikrokogeneracja, paliwa gazowe, efektywność energetyczna i ekonomiczna Streszczenie. W pracy przedstawiono podstawowe uwarunkowania budowy gazowych układów mikrokogeneracyjnych (tzw. CHP) o mocach elektrycznych od około 20 kw do 1 MW w budynkach. Skupiono się na układach opartych o silniki tłokowe i mikroturbiny gazowe zasilanych gazem ziemnym. Omówiono specyfikę zapotrzebowania na nośniki energii w różnych rodzajach budynków. Przedstawiono eksploatacyjne uwarunkowania doboru układu CHP pod kątem optymalizacji efektu energetycznego (maksymalizacja wskaźnika PES i sprawności ogólnej EUF) oraz efektu ekonomicznego (np. maksymalizacja wskaźnika PV). Wskazano parametry techniczne, eksploatacyjne i cenowe które mają największy wpływ na wskaźniki energetyczne i wskaźniki opłacalności. 1. WSTĘP Budynki są jednymi z większych konsumentów nośników energii. Szacuje się, że udział sektora budynków w całkowitym zużyciu energii pierwotnej w świecie jest rzędu 40%, przy czym zdecydowana większość zużywanej energii pierwotnej dotyczy paliw kopalnych. Jedną z możliwości poprawy efektywności zaopatrzenia budynków w nośniki energii jest (oprócz zmniejszenia zapotrzebowania 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 elektrycznej (zazwyczaj poniżej 1 MW) źródła te nazywane są mikrokogeneracyjnymi - CHP. Takie przyjęcie górnej granicy mocy modułu CHP jest na przykład adekwatne do obowiązującego w Polsce stanu prawnego [[4]]. Za minimalny poziom mocy układu CHP można przyjąć moc najmniejszych urządzeń dostępnych w ofertach handlowych producentów, tzn. około 20 kw el w przypadku gazowych silników tłokowych i mikroturbin gazowych. Układy CHP 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 CHP są paliwa gazowe. 2. UWARUKOWAIA STOSOWAIA MIKROKOGEERACJI W BUDYKACH Dobór właściwego schematu technologicznego oraz mocy elektrycznej i cieplnej układu CHP jest zazwyczaj zadaniem dość złożonym. Do ważniejszych etapów części technicznej całego studium wykonalności budowy układu CHP należy zaliczyć: określenie parametrów nośników energii oraz przebieg zapotrzebowania na nośniki energii (energia elektryczna, gorąca woda c.o oraz c.w.u., chłód), określenie konfiguracji układu CHP 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 CHP. W praktyce może występować jednak brak zbilansowania mocy produkowanej przez moduł CHP i zapotrzebowania na moc elektryczną u odbiorcy. Zbilansowanie mocy można przeprowadzić poprzez wyprowadzenia nadwyżek mocy elektrycznej (najczęściej zmiennych w czasie) z modułu CHP do sieci lub przez zmiany obciążenia elektrycznego modułu CHP. U małych odbiorców (głównie typu komunalnego) zmiany w czasie zapotrzebowania na moc elektryczną są na tyle duże, że żaden z wymienionych sposobów pracy modułu CHP nie jest stosowany (choć teoretycznie możliwy do realizacji technicznej). Praktycznie dopuszczalne są więc jedynie następujące rozwiązania: cała moc elektryczna generowana przez moduł CHP jest zużywana przez odbiorcę końcowego (nie ma wyprowadzania mocy elektrycznej do sieci), cała moc elektryczna generowana przez moduł CHP jest wyprowadzana do sieci poprzez wydzielone przyłącze.
r 3(112) - 2014 Rynek Energii Str. 59 Ogólny schemat układu zasilania wydzielonego odbiorcy ze źródła CHP przedstawia Rys. 1 1. Rys. 1. Schemat topologiczny układu zasilania budynku ze źródła CHP W przyjętym do rozważań zakresie mocy elektrycznej modułów CHP można stosować zarówno gazowe silniki tłokowe jak i mikroturbiny gazowe. Przy analogicznym poziomie mocy elektrycznej urządzenia te różnią się jednak dość wyraźnie nominalnymi wskaźnikami energetycznymi, a więc głównie sprawnością elektryczną η el i cieplną η Q. ominalną moc elektryczną i cieplną modułu CHP wiąże ze sobą tzw. wskaźnik skojarzenia : Q el. (1) CHP Z punktu widzenia efektów kogeneracji wskazane jest, aby nominalny wskaźnik skojarzenia przyjmował jak największą wartość. Wtedy bowiem przy danym strumieniu energii chemicznej paliwa moduł CHP ma większą moc elektryczną i większą produkcję energii elektrycznej. W praktyce im większa jest sprawność wytwarzania energii elektrycznej w module CHP, tym większy jest także nominalny wskaźnik skojarzenia. Przy porównywalnej mocy elektrycznej modułów CHP z silnikami tłokowymi i mikroturbinami gazowymi relacje pomiędzy wskaźnikami technicznymi są następujące: sprawność wytwarzania energii elektrycznej jest większa dla silników tłokowych, wskaźnik skojarzenia jest podobny dla modułów o najmniejszej mocy a wyraźnie większy dla gazowych silników tłokowych w przypadku większych mocy. 3. SPECYFIKA ZAPOTRZEBOWAIA A OŚIKI EERGII W BUDYKACH Podstawowe specyficzne cechy przebiegu zapotrzebowania na nośniki energii w budynkach to: bardzo duża dobowa zmienność zapotrzebowania na moc elektryczną oraz na moc w ciepłej wodzie użytkowej c.w.u., występujące tylko sezonowo zapotrzebowanie na moc cieplną do celów grzewczych, stosunkowo niskie zapotrzebowanie średnie zarówno na moc elektryczna jak i cieplną. W celu doboru rodzaju i mocy nominalnej modułu CHP niezbędne jest określenie przebiegu zapotrzebowania na nośniki energii w skali całego roku. Bardzo istotne znaczenie ma tu przebieg dobowej zmienności zapotrzebowania na moc elektryczną. Miarą tej zmienności może być stosunek maksymalnego i minimalnego dobowego zapotrzebowania na moc el,max, (2) el,min na moc elektryczną w budynku wielorodzinnym (40 mieszkań) przedstawiono na rys. 2 [1]. Zapotrzebowanie na moc elektryczną zmienia się w zakresie od około 1,9 kw do 6,3 kw ( = 3,3). na moc elektryczną w budynku o większym zapotrzebowaniu na moc elektryczną, tzn. w budynku biurowym przedstawiono na rys. 3. Zapotrzebowanie na moc elektryczną zmienia się w zakresie od około 30 kw do 120 kw ( = 4). Z przedstawionych przebiegów zapotrzebowania na moc elektryczną wynika, że im mniejsze jest średnie zapotrzebowanie na moc elektryczną w obiekcie, tym większe jest dobowe zróżnicowanie zapotrzebowania na moc elektryczną, liczone jako stosunek maksymalnego i minimalnego zapotrzebowania na moc elektryczną. Dla budynków wielorodzinnych, grup budynków, budynków biurowych, kompleksów edukacyjnych itd. jest to zazwyczaj <4. W przypadku pojedynczego budynku jednorodzinnego może to być jednak nawet > 50! W przypadku zaopatrzenia budynków w ciepło zmienność w czasie zapotrzebowania mocy cieplnej ma zazwyczaj dwojaki i przeciwstawny charakter, zależnie od rodzaju zużywanego ciepła. W przypadku ciepła grzewczego występuje mała zmienność dobowa i duża zmienność sezonowa (sezon grzewczy i poza sezonem grzewczym) a dla ciepłej wody użytkowej mamy dużą zmienność dobową i małą zmienność sezonową.
Str. 60 Rynek Energii r 3(112) - 2014 Rys. 2. Dobowy przebieg zapotrzebowanie na moc elektryczną w budynku [1] na moc cieplną w budynku biurowym przedstawiono na rys. 5 (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.u. wynika stąd, że większość ciepłej wody w budynku jest wytwarzana w oparciu o autonomiczne podgrzewacze elektryczne. Rys. 3. Wyniki pomiarów mocy czynnej w budynku biurowym dla 4 dni tygodnia (2 dni robocze i weekend) na moc cieplną w budynku wielorodzinnym (113 mieszkańców) przedstawiono na rys. 4 [5]. Maksymalne chwilowe (obliczeniowe) zapotrzebowanie na moc do celów grzewczych wynosi około 160 kw [5] i jest ponad dwukrotnie większe od maksymalnego, miesięcznego średniego zapotrzebowania wynoszącego około 56 kw w styczniu. Średnie zapotrzebowanie na moc do celów grzewczych w sezonie grzewczym (227 dni) wynosi około 35,2 kw i jest około 4,5 razy mniejsze od maksymalnego, obliczeniowego zapotrzebowania wynoszącego około 160 kw. Średnie (wyznaczone obliczeniowo) zapotrzebowanie na moc cieplną w ciepłej wodzie użytkowej c.w.u. wynosi około 11,8 kw, co stanowi około 7,3 % maksymalnego, tzn. obliczeniowego zapotrzebowania na moc grzewczą (160 kw) i 33,5% średniego zapotrzebowania na moc do celów grzewczych w sezonie grzewczym (35,2 kw). Ciekawie przedstawia się roczne zużycie ciepła grzewczego, tzn. c.o. oraz ciepła w cieplej wodzie użytkowej: ogrzewanie: 690,7 GJ (65% całkowitego zużycia ciepła), ciepła woda użytkowa: 373,4 GJ (35% całkowitego zużycia ciepła), łącznie c.o. oraz c.w.u.: 1064,1 GJ (100%). Oznacza to, że zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową ma bardzo znaczący udział w bilansie potrzeb cieplnych budynku (ponad 30% zużycia ciepła!). Zużycie ciepła, GJ Rys. 4. Przebieg średniego zapotrzebowania na moc cieplną w budynku w ciągu roku 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień Rys. 5. Przebieg średniego zapotrzebowania na moc cieplną w budynku biurowym w ciągu roku 4. DOBÓR UKŁADU CHP W BUDYKACH Określenie przebiegu zapotrzebowania na nośniki energii jest pierwszym etapem procedury doboru układu CHP. W drugim etapie konieczne jest określenie rodzaju (silnik tłokowy lub mikroturbina gazowa) i parametrów nominalnych modułu CHP. Dobór urządzenia wytwórczego i jego parametrów nominalnych (moc elektryczna, moc cieplna) ma ogromny wpływ na wskaźniki eksploatacyjne całego układu CHP (zarówno energetyczne jak i ekonomiczne). W zależności bowiem od poziomu nominalnej mocy cieplnej modułu CHP i przebiegu zapotrzebowania na moc cieplną u odbiorców zmieniają się ilości (udziały) poszczególnych strumieni ciepła
r 3(112) - 2014 Rynek Energii Str. 61 w całkowitym bilansie układu CHP: ciepła użytkowego dostarczanego z modułu CHP, ciepła traconego do otoczenia i ciepła użytkowego wytwarzanego w kotłach rezerwowo-szczytowych. a optymalny dobór urządzenia wytwórczego (rodzaj, parametry) ma też wpływ podstawowy cel jaki zamierza się osiągnąć poprzez budowę źródła CHP. W praktyce najczęściej jest to: maksymalizacja efektu energetycznego (np. maksymalizacja wskaźnika oszczędności energii pierwotnej PES); maksymalizacja efektu ekonomicznego (np. maksymalizacja wartości PV). Oszczędność (względna) zużycia energii chemicznej paliw pierwotnych, tzn. wskaźnik PES, wyraża różnicę pomiędzy zużyciem w gospodarce rozdzielonej E ch, r i w kogeneracji E ch, CHP. Maksymalizacja wskaźnika PES jest ściśle związana z jednoczesną maksymalizacją sprawności całkowitej (ogólnej) układu kogeneracyjnego η CHP, a 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 zapotrzebowania na moc cieplną u odbiorców w przeciągu całego roku. Taki sposób doboru mocy nominalnej modułu CHP przedstawiono na rys. 6 dla przypadku zaopatrzenia w ciepło grzewcze i ciepłą wodę użytkową odbiorcy komunalnego. ależy zwrócić uwagę, że ten sposób doboru mocy skutkuje doborem urządzenia o stosunkowo niskiej nominalnej mocy cieplnej i elektrycznej. Moc cieplna, kw 500 400 300 200 100 0 Moc cieplna C.O. + C.W.U. Moc cieplna C.W.U. Moc nominalna modułu CHP 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Czas, h Rys. 6. Dobór nominalnej mocy cieplnej modułu CHP (PES max) ależy 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 pociąga za sobą skutki o charakterze zarówno pozytywnym (np. maksymalizacja efektywności wykorzystania paliwa i minimalizacja strat ciepła do otoczenia) jak i negatywnym (np. zwiększenie zużycia paliwa w kotłach rezerwowoszczytowych i zmniejszona produkcja energii elektrycznej). Większość układów kogeneracyjnych jest budowana na zasadach komercyjnych. Stąd też najczęściej stosowanym kryterium optymalizacji układów CHP jest maksymalizacja funkcji celu w postaci określonego przez inwestora wskaźnika opłacalności jak na przykład PV czy IRR [2]. Jak wykazują analizy rodzaj i parametry nominalne modułu CHP dobrane ze względu na maksymalizację wskaźnika opłacalności (np. PV), wcale nie muszą pokrywać się z parametrami dobranymi ze względu na maksymalizację efektu energetycznego (PES max) [2, 3]. Analizując zależności określające wartości składników przepływów finansowych można wydzielić te parametry, które mają najistotniejszy wpływ na wskaźniki opłacalności gazowego układu CHP [3]: sprawność elektryczna modułu kogeneracyjnego, el rzeczywisty wskaźnik skojarzenia, cena zakupu energii chemicznej paliwa c chf, cena energii elektrycznej c el (sprzedaż lub uniknięty zakup) i cena świadectw pochodzenia c śp (o ile działa system wsparcia kogeneracji). Możliwy optymalny poziom mocy nominalnej modułu CHP w celu uzyskania maksymalnej wartości wskaźnika PV lub IRR dla przypadku zaopatrzenia w ciepło grzewcze i ciepłą wodę użytkową odbiorcy komunalnego przedstawiono np. na rys 7. W porównaniu do sytuacji przedstawionej na rys. 6 nominalna moc cieplna (i zarazem elektryczna) modułu CHP jest większa. W warunkach eksploatacyjnych oznacza to: większe całkowite zużycie paliwa (moduł CHP o większej mocy nominalnej), większa produkcja energii elektrycznej, zmniejszenie zużycia paliwa w kotłach rezerwowo-szczytowych, większe straty ciepła do otoczenia (i większy udział tych strat w bilansie ciepła), zmniejszenie procentowego udziału energii elektrycznej wytwarzanej w wysokosprawnej kogeneracji. W efekcie końcowym, pomimo zmniejszenia efektywności energetycznej (mniejsze wartości wskaźnika PES i sprawności ogólnej CHP), możliwe jest uzyskanie korzystniejszego efektu ekonomicznego.
Str. 62 Rynek Energii r 3(112) - 2014 Moc cieplna, kw 500 400 300 200 100 0 Moc cieplna C.O. + C.W.U. Moc nominalna modułu CHP Moc cieplna C.W.U. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Czas, h Rys. 7. Możliwy optymalny poziom mocy nominalnej modułu CHP w celu uzyskania maksymalnej wartości wskaźnika PV ależy podkreślić, że moduły CHP oparte o gazowe silniki tłokowe lub mikroturbiny gazowe osiągają najkorzystniejsze wskaźniki eksploatacyjne, a przede wszystkim jednostkowe zużycie paliwa i sprawność przy pracy pod nominalnym obciążeniem elektrycznym. Praca pod niepełnym obciążeniem elektrycznym prowadzi do zmniejszenia chwilowej sprawności i zwiększenia jednostkowego zużycia paliwa. Poprawę efektywności energetycznej (a także ekonomicznej) układu CHP można uzyskać poprzez stosowanie akumulacji ciepła (najczęściej w zasobnikach gorącej wody). Umożliwia to wyrównanie produkcji i zapotrzebowania na moc cieplną w skali dobowej (zwłaszcza mocy w ciepłej wodzie użytkowej). Dalszą poprawę wskaźników pracy układu CHP można też uzyskać, jeżeli w obiekcie występuje również LITERATURA zapotrzebowanie na chłód (zwłaszcza poza sezonem grzewczym). 5. PODSUMOWAIE Instalowanie układów CHP w budynkach jednorodzinnych jest w chwili obecnej mało uzasadnione z punktu widzenia uzyskania korzyści energetycznych i ekonomicznych. Podstawowym powodem jest zbyt niskie średnie zapotrzebowania na moc cieplną w stosunku do minimalnych mocy cieplnych dostępnych na rynku modułów CHP (tzn. około 40 kw). Instalowanie układów CHP w budynkach wielorodzinnych jest technicznie uzasadnione, a efekty energetyczne stosowania kogeneracji mogą być na odpowiednim poziomie. Z uwagi na bardzo niski poziom zapotrzebowania mocy elektrycznej ( w stosunku do poziomu mocy cieplnej) i jej bardzo dużą zmienność konieczne jest zazwyczaj wyprowadzanie całej mocy elektrycznej na zewnątrz (np. do sieci). Instalowanie układów CHP 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. [1] Jarnut M.: Pomiary zapotrzebowania mocy elektrycznej w budynku testowym. Informacja własna, grudzień 2012. [2] Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne. WT, Warszawa 2005. [3] 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. [4] Ustawa prawo energetyczne. stan prawny na dzień 3 maja 2012. [5] Wyniki obliczeń zapotrzebowania mocy cieplnej do ogrzewania budynków zasilanych z mikrosieci cieplnej. Informacja własna, Uniwersytet Zielonogórski, grudzień 2012. APPLICATIOS OF GAS SUPPLIED MICROCOGEERATIO SYSTEMS I BUILDIGS Key words: microcogeneration, gaseous fuels, energy and economical effectiveness Summary. The paper presents basic circumstances of installation gas supplied microcogeneration systems CHP in buildings. Microcogeneration system based on IC engines and microturbines of nominal electric power from 20 kw up to 1 MW are considered. Specific features of heat and electricity demand in buildings are discussed. Exploitation aspects of CHP sizing to obtain optimal technical indices (primary energy savings PES, total efficiency EUF) or to maximize economic effects (e.g. maximization of PV value) are then presented. Basic technical, operational and financial parameters which influence energy and economic effects are pointed out and discussed. Janusz Skorek, prof. dr hab. inż. jest pracownikiem Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej, Gliwice, ul. Konarskiego 22. E-mail: janusz.skorek@polsl.pl