GENERACJA ROZPROSZONA W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM

17.12.14 r. GENERACJA ROZPROSZONA W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM Analiza przyłączenia do sieci elektrowni biogazowej Zespół 3: Rafał Furgała Mariusz Misala Adam Nowak Krzysztof Piechaczek Krzysztof Lubczyński

1. Cel projektu Celem projektu jest przeprowadzenie analizy technicznej i ekonomicznej przyłączenia do sieci elektroenergetycznej elektrowni biogazowej wytwarzającego energię elektryczną i ciepło w skojarzeniu o mocy elektrycznej 0,8 MW. 2. Opis techniczny 2.1. Sposób przyłączenia do sieci Biogazownia przyłączona jest do sieci rozdzielczej na napięciu U n = 16,5 kv. Odbiór mocy zostanie zrealizowany poprzez linię napowietrzną o przewodach AFL-50. Na potrzeby elektrowni dobrano transformator 15,75/0,4 kv z regulacją zaczepów, która umożliwia regulację napięcia +10%, -5%, o mocy 1000 kva. 2.2. Charakterystyka pracy elektrowni Biogaz wykorzystywano jako paliwo agregatu kogeneracyjnego zostanie pozyskany z gnojowicy świńskiej 50zł/t, oraz kiszonki kukurydzy pozyskiwanej 100zł/t, po cenie rynkowej,zostanie wytworzony w komorach fermentacyjnych bioelektrowni. Ciepło produkowane w silniku gazowym zostanie odprowadzane do sieci ciepłowniczej. Wytwarzana moc elektryczna (znamionowa) to P N = 785 kw. Szacunkowy roczny czas pracy został ustalony na poziomie 8322 godzin rocznie (5% czasu rocznie zarezerwowano na remonty i konserwacje). Szacowana produkcja roczna energii elektrycznej 6,5GWh i Energi cieplnej 24TJ. Około 10% produkowanej energii elektrycznej i 10% energii cieplnej jest przeznaczana na pokrycie potrzeb własnych 2.3. Dane urządzeń elektrycznych 2.3.1. Transformator sieciowy S nt = 14000 kva U nth = 115 kv U ntl = 16,5 kv P CuT = 140 kw u z = 10% 2.3.2. Generator P n = 785 kw cosφ= 0,94 U n = 0,4 kv I n = 1205 A 2.3.1. Transformator przy generatorze S nt = 1000 kva U nth = 15,75 kv U ntl = 0,4 kv

P krt = 1400 W u z = 6% Grupa połączeń: Dyn5 Regulacja zaczepów: +4x2,5%. -2x2,5% 2.4. Uproszczony schemat elektryczny elektrowni Rysunek 1. Uproszczony schemat elektryczny biogazowni. 3. Rozpływy mocy w sieci 3.1. Rozpływ mocy dla 100% mocy generowanej przez biogazownie oraz stanu awaryjnego Rysunek 2. Rozpływ mocy dla 100% mocy Na przedstawionym wyżej rysunku zaznaczono rozpływy mocy dla 100% mocy generowanej przez biogazownie. Na rysunku poniżej zaznaczono rozpływy mocy dla stanu awaryjnego, czyli gdy biogazownia nie produkuje energii elektrycznej. Rozpływy wyznaczono w programie PowerWorld.

Rysunek 3. Rozpływ mocy dla stanu awaryjnego (0% mocy) 3.2. Rozpływ mocy dla 50% mocy generowanej przez biogazownię Rysunek 4. Rozpływ mocy dla 50% mocy 4. Spadki napięcia w sieci dystrybucyjnej Tablica 1 Parametry linii Numer linii l s R X Z km mm2 Ω Ω Ω 1-2 5 95 1,59 2 2,56 2-3 5 70 2,16 2 2,95 3-4 3 50 1,82 1,2 2,18 1-5 6 95 1,91 2,4 3,07 5-6 5 50 3,03 2 3,63 6-7 5 50 3,03 2 3,63 6-8 4 50 2,42 1,6 2,9 1-9 6 70 2,59 2,4 3,54 9-10 5 70 2,16 2 2,95 Tr-6 0,5 50 0,303 0,2 0,363 gdzie: s - przekrój żyły przewodu; l - długość danego odcinka; R - rezystancja danego odcinka; X - reaktancja danego odcinka.

Dane otrzymane w tablicy 1, zostały obliczone z następujących wzorów: gdzie: R - rezystancja danego odcinka; l - długość danego przewodu; γ - przewodność aluminium 33MS; s - przekrój danego przewodu. (1) oraz: Reaktancję jednostkową przyjęto jako 0,4 Ω/km. Spadki napięcia dla poszczególnych odcinków systemu obliczono ze wzoru: gdzie: ΔU - spadek napięcia na poszczególnym odcinku; R - rezystancja danego odcinka sieci obliczona w [tablica 1]; P - moc czynna przepływająca przez dany obcinek sieci; Q - moc bierna przepływająca przez dany odcinek sieci; X - reaktancja danego odcinka sieci obliczona [w tablica 1]; Un - napięcie znamionowe sieci 20kV. (2) Rysunek 5. Schemat sieci do obliczeń spadków napięć Moce przepływające w danej gałęzi dla poszczególnego procentowego wytwarzania mocy elektrycznej biogazowi, zostały obliczone w punkcie 3. Rozpływy mocy w sieci. Wyniki z obliczonych spadków napięć przedstawiono w [tablica 2].

Zestawienie danych obliczonych dla spadków napięcia Spadek dla Spadek dla Spadek dla Odcinek 100% 0% 50% linii kv kv kv 1-2 0,67 0,67 0,67 2-3 1,13 1,13 1,13 3-4 1,28 1,28 1,28 1-5 0,68 0,85 0,76 5-6 1,11 1,48 1,29 6-7 1,37 1,75 1,56 6-8 1,39 1,77 1,58 1-9 0,55 0,55 0,55 9-10 0,73 0,73 0,73 Tr-G 1,09 1,48 1,28 Tablica 2 21 20,5 V 20 19,5 19 100% 18,5 18 50% 0% 1 2 3 4 5 węzły Rysunek 6. Zbiór charakterystyk obrazujących spadki napięć w węzłach Numeracja węzłów na wykresie w stosunku do schematu: 1 to węzeł 1, 2 to węzeł 2, 3 to węzeł 6, 4 to węzeł 7, 5 to szyna elektrowni biogazowej. Wykresy sporządzono dla biogazowni w stanach pracy kiedy pracuje z 100% mocą, 50% mocą, oraz kiedy nie pracuje. 5. Wpływ źródła na straty mocy w sieci Straty mocy w sieci wiążą się z dodatkowym nakładem finansowym. Dlatego też ocena strat mocy w sieci jest bardzo istotna i wymaga szczegółowej analizy. Do naszych celów wzięto pod uwagę stan, gdy biogazownia produkuje 100% mocy, 50% oraz gdy wypada z pracy z siecią (0% mocy).

Straty mocy czynnej obliczono ze wzoru: gdzie: ΔP - straty mocy czynnej na danym odcinku sieci; P - moc czynna przepływająca przez dany odcinek sieci; Q - moc bierna przepływająca przez dany odcinek sieci; Un - napięcie znamionowe sieci 20kV; R - rezystancja danego odcinka [tablica 1]. (3) Straty mocy biernej obliczono ze wzoru: (4) gdzie: ΔQ - straty mocy biernej na danym odcinku sieci; P - moc czynna przepływająca przez dany odcinek sieci; Q - moc bierna przepływająca przez dany odcinek sieci; Un - napięcie znamionowe sieci 20kV; X - reaktancja danego odcinka obliczona w [tablica 1]. Dodatkowo do strat przesyłowych należy wliczyć straty pochodzące od transformatorów T1 oraz T2. Straty dla transformatorów zasilających (T1 oraz T2) obliczono ze wzorów: Q Q x j i u S 0% rt 100 S kr % rt 100 (5) (6) P t P j P cun 2 kw (7) gdzie: Q j - straty mocy biernej biegu jałowego; Q x - straty mocy biernej dla obciążenia znamionowego; P j - straty mocy czynnej biegu jałowego; P cun - straty mocy czynnej dla obciążenia znamionowego; P t - straty mocy czynnej obciążonego transformatora; Q t - straty mocy czynnej obciążonego transformatora; i 0% - procentowy prąd stanu jałowego; u kr % - procentowe napięcie zwarcia; ß - współczynnika obciążenia transformatora. 2 Q t Q j Qx (8) Korzystając w powyższych wzorów ( wzory od 3 do 8) obliczono straty mocy czynnej oraz biernej.

Tablica 3 Zestawienie danych obliczeniowych strat przesyłowych 100% 50% 100% mocy BG 0% mocy BG 50% mocy BG 0% mocy Nr. mocy mocy gałęzi ΔP ΔQ ΔP ΔQ ΔQ ΔS ΔP kw kw kvar kw kvar kvar kva ΔS kva ΔS kva 1-2 0,149 0,188 0,149 0,188 0,149 0,188 0,240 0,240 0,240 2-3 0,063 0,058 0,063 0,058 0,063 0,058 0,086 0,086 0,086 3-4 0,009 0,006 0,009 0,006 0,009 0,006 0,011 0,011 0,011 1-5 0,127 0,159 0,193 0,242 0,157 0,198 0,203 0,310 0,253 5-6 0,044 0,029 0,097 0,065 0,068 0,045 0,053 0,117 0,082 6-7 0,016 0,011 0,017 0,011 0,017 0,011 0,019 0,020 0,020 6-8 0,026 0,017 0,027 0,018 0,026 0,017 0,031 0,032 0,031 1-9 0,072 0,067 0,072 0,067 0,072 0,067 0,098 0,098 0,098 9-10 0,01 0,009 0,01 0,009 0,01 0,009 0,013 0,013 0,013 Tr-G 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Suma 0,516 0,544 0,637 0,664 0,571 0,599 0,755 0,927 0,834 Zestawienie obciążenia linii Tablica 4 Obciążenie dla Obciążenie dla Obciążenie dla Odcinek 100% 0% 50% linii % % % 1-2 61,3 61,3 61,3 2-3 42,1 42,1 42,1 3-4 24 24 24 1-5 51,3 63,3 57,2 5-6 41,3 61,2 51,1 6-7 25,1 25,7 25,4 6-8 34,9 35,8 35,3 1-9 41,1 41,1 41,1 9-10 16,8 16,8 16,8 Tr-G 18,4 0 9,3 6. Analiza poziomów prądów zwarciowych w układzie przesyłowym Analiza prądów zwarciowych ma na celu pokazanie poziomów prądów zwarciowych przed włączeniem biogazowi oraz po włączeniu biogazowi do systemu. Znajomość prądów zwarciowych pozwala na odpowiedni dobór szyn rozdzielczych, aparatury łączeniowej oraz jej nastaw jak i odpowiedniej selektywności zastosowanych zabezpieczeń.

Do naszych celów miejsca zwarć dobrano jak na rysunku poniżej. Rysunek 7. Poglądowe przedstawienie miejsc zwarć w analizowanej sieci W celu wyznaczenia minimalnego i maksymalnego prądu zwarciowego wzięto pod uwagę prąd zwarciowy trójfazowy podczas pracy biogazowni (100% mocy) oraz bez biogazowni (0% mocy). Prądy te liczymy ze wzorów: Dla prądu zwarcia trójfazowego: gdzie: I k3 - prąd trójfazowy zwarciowy; c - współczynnik napięciowy równy 1,1 prądu maksymalnego,; - impedancja zastępcza (składowa zgodna). Z 1 (9) Dla naszego przypadku, liczymy jedynie prądy maksymalne zwarciowe. Zastępczy schemat zwarciowy można przedstawić jako złożenie dwóch obwodów impedancji jak na rysunku poniżej:

Rysunek 8. Uproszczony zastępczy schemat zwarciowy z uwzględnieniem biogazowi Uwaga: Schematy te zostały rozpatrzone dla miejsca zwarcia zlokalizowanego na szynach transformatora przy generatorze. Dla pozostałych miejsc na drodze 1-T2 schemat będzie się różnił liczbą poszczególnych składowych impedancji Z w składowych prądu Ik1 oraz Ik2. Schematy odnoszą się do zwarcia trójfazowego. Poszczególne składowe impedancji liczymy z następujących wzorów: System (10) Transformator Generator (11) (12) Linia (13) Wartości rezystancji obliczono na podstawie wzoru (1). Korzystając z powyższych wzorów oraz zależności wyznaczono:

Wartości impedancji zastępczych linii Numer linii l s R X Z km mm2 Ω Ω Ω 1-2 2 70 0,87 0,8 0,8 2-3 5 70 2,16 2,0 2,0 3-4 3 50 1,82 1,2 1,2 4-5 3 95 0,96 1,2 1,2 2-6 7 50 4,24 2,8 2,8 6-7 5 50 3,03 2,0 2,0 1-10 4 50 2,42 1,6 1,6 1-8 5 70 2,16 2,0 2,0 8-9 3 70 1,30 1,2 1,2 Tr-G 5 50 2,16 2,0 2,0 Tablica 4 Korzystając ze wzoru [9] otrzymano: Dla pracy z biogazownią na szynach transformatora przy generatorze: Dla pracy bez biogazowni prąd ten wynosi: I k3 = I k2 = 0,89 ka Dla pracy z biogazownią na szyny w węźle 1: I k3 =I k1 +I k2 = 0,41 + 4,75 = 5,16 ka Dla pracy bez biogazowni prąd ten wynosi: I k3 = I k2 = 4,75 ka Wnioski: Wartość prądów zwarciowych od biogazowni w dużym stopniu zależy od miejsca zwarcia, w pobliżu elektrowni prąd jest dość duży, ale nie większy niż prąd zwarciowy niedaleko węzła 1, więc nie powinno to wpłynąć negatywnie na układ sieci. 7. Analiza ekonomiczna Czynności związane z oceną działalności przedsiębiorstwa są przedmiotem analizy ekonomicznej. W warunkach zmienności otoczenia, rozwoju techniki i nauki podejmowanie decyzji dotyczących zarządzania przedsiębiorstwem wymaga szybkich i rzetelnych informacji Analiza ekonomiczna obejmuje wszystkie zjawiska gospodarcze występujące w odrąbie przedsiębiorstwa jak i w jego otoczeniu. Badanie czynników polega na podziale zjawisk ekonomicznych i procesów na elementy składowe, określeniu

zależności przyczynowo skutkowej między elementami, i wyprowadzeniu wniosków z oceny Moc Zainstalowana:. Generator P n = 785 kw cosφ= 0,94 U n = 0,4 kv I n = 1205 A Biogaz, gaz wysypiskowy gaz palny, produkt fermentacji anaerobowej związków pochodzenia organicznego (np. ścieki, m.in. ścieki cukrownicze, odpady komunalne, odchody zwierzęce, gnojowica, odpady przemysłu rolnospożywczego, biomasa) a częściowo także ich rozpadu gnilnego, powstający w biogazowni. Energia elektryczna i cieplna uzyskana z 1 m 3 biogazu przy średniej sprawności systemu pozyskiwania gazu η=85 % 1 m 3 =2,2kWh=8MJ Zapotrzebowanie elektrowni na Biogaz w ciągu roku 3 mln ton Energia elektryczna i cieplna elektrowni w ciągu roku (5% czasu rocznie zarezerwowano na remonty i konserwacje) 785kWh *8322h=6,5GWh 3mln*8MJ=24TJ Potrzeby własne elektrowni 10%*6,5GWh=0,65GWh Elektryczne 10%*24TJ Cieplne=2,4TJ Wsad: uzyskanie gazu z 1 tony Gnojowica świńska: 20 m 3 Kiszonka kukurydzy: 120 m 3 Wsad: Cena rynkowa Gnojowica świńska: 50 zł/t Kiszonka kukurydzy: 100 zł/t Roczny import nawozu w stosunku 2:1wynosi 43 tys. Ton Gnojowica świńska= 2*14,3=28,6 tys. Ton Kiszonka kukurydzy=14,3 tys. Ton

Koszty jednostkowe importowanego nawozu: Gnojowica świńska= 2*14,3=28,6 tys. Ton *50 zł/t =1,430,000 zł/r Kiszonka kukurydzy=14,3 tys. Ton*100zł/t=1,430,000zł/r Łączna kwota zużytego wsadu w ciągu roku=2,860,000 zł Pulpa pofermentacyjna: Ilość : 43 tys. M 3 Sposób przechowywania: laguny - 2,3 ha Sposób zagospodarowania: wykorzystanie na polach własnych Przechowywanie przefermentowanej pulpy: Dla analizowanej biogazowni do przechowywania przefermentowanej biomasy wybrano laguny, co jest rozwiązaniem znacznie tańszym niż budowa zbiornika żelbetonowego Struktura finansowania: Środki własne: 40% Kredyt bankowy: 60%, oprocentowanie w skali roku: 8,okres kredytowania: 12 lat. Poniżej podano strukturę nakładów inwestycyjnych dla podanych uprzednio założeń projektowych. Sumaryczne nakłady wynoszą 17,5 mln zł. Największy udział procentowy w strukturze nakładów mają układ kogeneracyjny (17%) oraz komora fermentacyjna (16%). Kategorie nakładów inwestycyjnych: Składowanie i obróbka wstępna materiału wsadowego 12 % Środki transportu 2 % Komora fermentacyjna 16% Układ kogeneracyjny 17% System grzewczy 3% Instalacja wodno-kanalizacyjne i gazowe 7% Przechowywanie pulpy pofermentacyjnej 6% Prace budowlano-montażowe 13 % Instalacje elektryczne i pomiarowe 8% Inne 16%

Nakłady Inwestycyjne Kwota: mln zł (17.5) Składowanie i obróbka wstępna 2,1 materiału wsadowego Środki transportu 0,35 Komora fermentacyjna 2,8 Układ kogeneracyjny 2,98 System grzewczy 0,53 Instalacja wodno-kanalizacyjne i 1,23 gazowe Przechowywanie pulpy 1,05 pofermentacyjnej Prace budowlano-montażowe 2,28 Instalacje elektryczne i pomiarowe 1,4 Inne: w tym -Cena Generatora -Cena transformatora -Roczne wynagrodzenie 10 3,725 0,28 0,045 0,54 pracowników Brutto -Roczny koszt Importowanego Wsadu: 2,86 Założenia, które przyjęto do obliczenia przychodów dla Biogazowni Cena energii elektrycznej: 198 zł/mwh Cena sprzedaży Ciepła: 22 zł/gj Cena zielonego świadectwa pochodzenia : 275zł/MWh Cena żółtego świadectwa pochodzenia(za kogeneracje o mocy < 1MW):125 zł/mwh Podane powyżej dane są danymi średnimi z rynku za ostatni dostępny okres, przepływy finansowe w czasie szacowane są dla następujących założeń Stopa kosztu kapitału (stopa dyskonta)% 8,00% Współczynnik inflacji% 2,50% Roczna zmiana cen: Energii elektrycznej do 2020 roku 5,00% Energii elektrycznej po 2020 roku 2,00% Zielonych certyfikatów do 2018 roku 5,00% żółtych certyfikatów do 2020 roku 5,00% Substratu 2,50% Nawozu 2,50%

Ciepła 2,50% Założono ze do roku 2018 jednostkowe przychody z tytułu pozyskania zielonych ŚP oraz do roku 2020 kogeneracyjnych ŚP będą rosły zgodnie z tempem wzrostu cen energii elektrycznej(5%) Struktura rocznych przychodów dla biogazowni 0,785 MW Przychody Kwota: 4,85 mln Sprzedaż energii elektrycznej 1,16 Sprzedaż Ciepła 0,53 Sprzedaż zielonych ŚP 1,61 Sprzedaż żółtych ŚP 0,73 Rekompensata za wykorzystanie 0,82 pulpy na polach własnych Dla opisanego powyżej wariantu biogazowni uzyskano następujące wyniki analizy przepływów finansowych: NPV: 1,45 mln zł IRR: 10% SPBT (prosty okres zwrotu): 10 lat Ogólna ocena inwestycji: opłacalna Największą wrażliwość na zmianę parametrów pracy biogazowni wykazały: Dynamiczne zmiany cen Wsadu powyżej ceny rynkowej w obecnym stanie gnojowica w porównaniu z innymi substancjami charakteryzuje się niższą produktywnością biogazu. W porównaniu z kiszonką kukurydzy 1 tona gnojowicy wyprodukuje 6-cio krotnie mniej biogazu. Przekazywanie przefermentowanej pulpy za darmo okolicznym rolnikom Analizowana Biogazownia wykorzystuje pulpę pofermentacyjną na polach własnych natomiast w analizie wrażliwości analizowano również możliwość przekazania okolicznym rolnikom W takim przypadku główną przyczyną braku rentowności Biogazowni wykazywanej na takim założeniu jest w tym przypadku brak możliwości wykazania przychodów z tytułu wykorzystania pulpy jako nawozu na potrzeby własne.

Brak wystarczającej ilości terenu co powoduje konieczność budowy zbiornika żelbetowego zamiast lagun Budowa zbiornika żelbetowego do przechowywania takiej samej ilości pulpy pofermentacyjnej przez 6 miesięcy w roku charakteryzuje się wielokrotnie wyższymi jednostkowymi nakładami inwestycyjnymi