Zwiększenie efektywności energetycznej i ekonomicznej skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej przez zastosowanie zasobnika ciepła Wojciech KOSTOWSKI, Jacek KALINA, Janusz SKOREK Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej, Instytut Techniki Cieplnej 44-101 Gliwice, ul. Konarskiego 22 e-mail:wkost@itc.polsl.pl, kalina@itc.polsl.pl, skorek@itc.polsl.pl W pracy przedstawiono zagadnienia związane z zastosowaniem zasobników ciepła w układach z gazowymi modułami kogeneracyjnymi. Przedstawiono bilans energii oraz uwarunkowania energetyczne pracy układu z zasobnikiem ciepła. Zaproponowano metodykę oceny efektywności energetycznej systemu. Przedstawiono zasady optymalizacji termodynamicznej i ekonomicznej doboru zasobnika. Przeprowadzono przykładową analizę doboru zasobnika w ramach projektu demonstracyjnego małej elektrociepłowni z silnikiem gazowym. 1. Wprowadzenie Nowoczesne układy skojarzone małej mocy, budowane na bazie silników tłokowych, turbin gazowych czy też mikroturbin i ogniw paliwowych dają możliwość instalacji układu wytwórczego wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną. Układy takie mogą w szczególności znaleźć zastosowanie do zasilania budynków (pojedynczych czy też grup) o różnej charakterystyce zmienności poboru nośników energii. Zwykle o wyborze rozwiązania technicznego układu zasilania obiektu decydują wyniki analizy ekonomicznej. Jedną ze specyficznych cech gazowych układów kogeneracyjnych jest jednoczesność produkcji energii elektrycznej i ciepła. Wytwarzania ciepła nie można tu uniknąć ze względu na zasady pracy silnika cieplnego czy ogniwa paliwowego, będącego głównym elementem układu. Ciepło to może być wykorzystane w zasilanym obiekcie jedynie w chwilach, gdy występuje na nie zapotrzebowanie. W przeciwnym wypadku musi ono zostać rozproszone w otoczeniu. W niektórych przypadkach poprawę efektywności energetycznej instalacji można uzyskać przez zastosowanie akumulacji ciepła w zasobniku. Wymaga to jednak poniesienia dodatkowych nakładów inwestycyjnych. Stąd też dobór zasobnika ciepła do układu powinien być przeprowadzony na drodze optymalizacji ze względu na maksymalizację efektu ekonomicznego. Ograniczeniami będą tu parametry techniczne oraz warunki eksploatacji zasobnika ciepła. Sposób rozwiązania problemu oraz czynniki wpływające na efektywność energetyczną i ekonomiczną układów z zasobnikami ciepła przedstawiono w niniejszej pracy. 1. Układy kogeneracyjne z zasobnikami ciepła W skład typowego układu wytwórczego energii elektrycznej i ciepła, pracującego na potrzeby określonych odbiorców, wchodzi moduł kogeneracyjny z układem wymienników ciepła i kotłem odzyskowym, kotły rezerwowo-szczytowe (zwykle gazowe), chłodnica wentylatorowa, komin i inne, mniej znaczące elementy. Opcjonalnie w układzie może zostać zainstalowany również zasobnik ciepła. Przykład takiego rozwiązania technologicznego przedstawiono na rys. 1. Schemat przedstawia obiekt, który poddano szczegółowej analizie w dalszej części pracy [1].
Rys. 1. Uproszczony schemat układu z gazowym silnikiem tłokowym, kotłami gazowymi i zasobnikiem ciepła (CHP moduł kogeneracyjny z silnikiem tłokowym, K1, K2, K3 kotły, Z zasobnik ciepła, CHW chłodnica wentylatorowa, ECO ekonomizer (opcjonalny) Cechą odróżniającą małe i średnie lokalne układy kogeneracyjne od tradycyjnych elektrociepłowni jest elastyczność przejmowania obciążeń, umożliwiająca regulację mocy według jednego z poniższych trybów pracy [4]: A. Praca zorientowana na produkcję ciepła (tzw. Heat Tracking HT) moc modułu regulowana jest według krzywej zapotrzebowania na ciepło, a energia elektryczna jest produktem ubocznym. Bilans energii elektrycznej zamykany jest poprzez odpowiednio jej zakup bądź sprzedaż do sieci. B. Praca zorientowana na produkcję energii elektrycznej (tzw. Electricity Tracking ET) moc modułu regulowana jest według krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną, a ciepło jest produktem ubocznym. Niedobory ciepła wytwarzane są w kotle, natomiast nadwyżki ciepła są rozpraszane w otoczeniu przez chłodnice wentylatorowe (chłodzenie silnika) lub w postaci gorących spalin. C. Praca modułu bez skojarzenia moduł wytwarza jedynie energię elektryczną, a ciepło jest rozpraszane w otoczeniu. D. Praca modułu pełną mocą bez względu na zapotrzebowanie ciepła i energii elektrycznej (tzw. Full Load FL) tryb ten jest kombinacją trybów A, B i C. Może tu wystąpić zarówno zakup jak i sprzedaż energii elektrycznej jak również wytwarzanie ciepła w kotłach czy też jego rozpraszanie. E. Układ nie pracuje zapotrzebowanie na ciepło jest pokrywane przez kotły, a energia elektryczna jest kupowana z sieci. F. Tryb ekonomiczny kombinacja trybów od A do E zapewniająca najlepszą efektywność ekonomiczną. Wymaga specjalistycznego oprogramowania, pozwalającego na optymalizację parametrów pracy w czasie rzeczywistym; G. Praca uwarunkowana podażą paliwa, stosowana w przypadku zasilania gazami specjalnymi. W trybach pracy w których okresowo występuje nadmiar ciepła (B, D a także F i G) celowe jest przeprowadzenie analizy efektów, jakie może dać zastosowanie akumulacji ciepła w zasobniku. Zastosowanie zasobnika ciepła w pewnym zakresie eliminuje konieczność rozpraszania nadwyżek ciepła do otoczenia (w zależności od wielkości zasobnika oraz czasu
występowania nadwyżek i niedoborów ciepła). W pewnych wypadkach zasobnik pozwala również zwiększyć elastyczność układu w przejmowaniu zmiennego obciążenia cieplnego. Pozwala na pracę kotłów szczytowych w obszarze charakterystyki, zapewniającym największą sprawność, wpływa na zmniejszenie częstości włączeń i wyłączeń kotłów szczytowych. W praktyce istnieje szereg rozwiązań konfiguracji układów kogeneracyjnych z kotłami szczytowymi i zasobnikami ciepła. Każde z nich charakteryzuje się innym sposobem połączenia urządzeń i wynikającym z niego sposobem regulacji pracą układu. Do najczęściej stosowanych systemów należą: a) równoległe połączenie modułu CHP, kotłów i zasobnika (rys. 1), regulacja ilościowa; b) równoległe połączenie modułu CHP w zespół z zasobnikiem ciepła oraz szeregowe połączenie zespołu z kotłami szczytowymi, regulacja ilościowa [7]; c) równoległe połączenie modułu CHP w zespół z zasobnikiem ciepła oraz szeregowe połączenie zespołu z kotłami szczytowymi, regulacja jakościowa [7]. W przypadkach b) oraz c) zasobnik ciepła włącza się równolegle do modułu kogeneracyjnego, zaś rozwiązanie technologiczne całego systemu zależy od doboru i umiejscowienia zaworu trójdrogowego, sprzęgła hydraulicznego lub układu mieszającego. Przykłady takich rozwiązań przedstawiono na rys. 2 a,b,c. a) b) c) Rys. 2. Sposoby połączenia równoległego modułu CHP z kotłami szczytowymi przy regulacji ilościowej [7]: a) przed układem mieszającym i za zaworem trójdrogowym; b) przed sprzęgłem hydraulicznym i za zaworem trójdrogowym; c) przed sprzęgłem i przed zaworem trójdrogowym. (CHP moduł kogeneracyjny, Z zasobnik, K1, K2 kotły) Do współpracy z małymi układami kogeneracyjnymi stosuje się zasobniki wyporowe gorącej wody. W zasobniku takim wskutek różnicy gęstości woda zasilająca utrzymuje się ponad wodą powrotną bez wymieszania, rozdzielona warstwą przejściową, co w znacznym uproszczeniu przedstawiono na rys. 3. Długotrwały kontakt tych wód powoduje stopniowe wyrównywanie temperatury toteż zasobniki wyporowe nadają się do wyrównywania obciążeń dobowych.
leży znacznie poniżej optimum termodynamicznego. Przy określonym koszcie zasobnika jego położenie jest nieznacznie zależne od ceny gazu. Istotną informacją jest również to, że w wyniku zastosowania zasobnika ciepła uzyskano poprawę wskaźnika NPV w stosunku do wariantu bez zasobnika. 5500 5000 Zmniejszenie zuzycia gazu DP, m 3 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 H/D = 2 H/D = 4 0 0 20 40 60 80 100 V, m 3 Rys. 10. Wyniki optymalizacji termodynamicznej objętości zasobnika, objaśnienia w tekście 30000 27500 25000 22500 cena gazu 0,8 zł/m3 cena gazu 1,2 zł/m3 20000 17500 DNPV, PLN 15000 12500 10000 7500 5000 2500 0-2500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20-5000 V, m 3 Rys. 11. Wyniki optymalizacji termodynamicznej objętości zasobnika, objaśnienia w tekście 7. Wnioski W rozpatrywanym układzie kogeneracyjnym pracującym w trybie ET, tj. regulacji mocy według zapotrzebowania elektrycznego ilość ciepła produkowanego w module CHP jest niewielka w stosunku do zapotrzebowania. Z tego powodu istnieje niewielka nadwyżka ciepła możliwa do zakumulowania. Ponadto nadwyżki mocy cieplnej występują jedynie w miesiącach letnich. Pomimo tego w wyniku zastosowania zasobnika ciepła uzyskano zmniejszenie zużycia paliwa w układzie oraz zwiększenie efektywności ekonomicznej inwestycji w stosunku do układu bez zasobnika. Optymalna objętość zasobnika jest różna ze względu na kryterium termodynamiczne i ekonomiczne. Maksymalna oszczędność energii chemicznej paliwa PW d ma miejsce przy objętości zasobnika ok. 20 m 3 podczas gdy maksymalny przyrost wartości bieżącej netto NPV występuje przy instalacji zasobnika o objętości około 4 5 m 3. Zastosowanie zasobnika może dać dodatkowe korzyści, jeżeli umożliwi się jego ładowanie nie tylko gorącą wodą z modułu CHP, lecz także wytwarzaną w kotłach. Podłączenie strony zasilającej kotłów z zasobnikiem zmniejsza wahania mocy cieplnej
kotłów, umożliwiając ich pracę z optymalną mocą i maksymalną sprawnością. Korzyści w tym wypadku nie wynikają jednak z zagospodarowania ciepła odpadowego (z układu CHP) a jedynie z optymalizacji pracy kotłów. Zarówno wyznaczenie tych korzyści, jak i rozwiązanie układu regulacji jest jednak w tym przypadku bardziej skomplikowane. W przypadku wzrostu ceny sprzedaży energii elektrycznej produkowanej w układzie kogeneracyjnym optymalna moc elektryczna modułu z silnikiem gazowym będzie większa. Poprawi to również bilans układu cieplny z punktu widzenia procesu akumulacji i może umożliwić lepsze wykorzystanie zasobnika oraz instalację kotłów szczytowych mniejszej mocy. Literatura [1] Kalina J. Skorek J.: Projekt demonstracyjny źródła ciepła i energii elektrycznej dla kompleksu budynków. Wyniki projektowania wstępnego. Materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej 2005 Energetyka Gazowa, Szczyrk, 19-21.04.2005. [2] Kalina J., Skorek J.: Small-scale cogeneration for building applications. Part 1 energy demand analysis at demonstration site. Proceedings of the 6th International Conference Energy for buildings Wilnius, Lithuania, 07-08.10.2004 (ISBN 9986-05-771-X) [3] Kalina J., Skorek J.: Small-scale cogeneration for building applications. Part 2 optimal sizing of the CHP plant. Proceedings of the 6th International Conference Energy for buildings Wilnius, Lithuania, 07-08.10.2004 (ISBN 9986-05-771-X) [4] Skorek J. Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej układów kogeneracyjnych małej mocy. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. ISBN 83-7335-127-2 [5] Skorek J., Kalina J., Kostowski W. Techniczne, ekologiczne i ekonomiczne uwarunkowania kogeneracji w układach gazowych. ZNPol.Śl. seria Energetyka z. 139. Gliwice 2003. [6] Skorek J., Kostowski W. Model pracy zasobnika ciepła zintegrowanego z małym układem skojarzonym. XVIII Zjazd Termodynamików, Muszyna 2002. [7] Gasunie, Ontwerpregels voor inpassing warmte/kracht in CV-systemen. Materiały niepublikowane firmy Gasunie, 1995. [8] GE Jenbacher, Blockheizkraftwerk mit Gasmotoren Hydraulische Einbindung. materiały niepublikowane firmy GE Jenbacher. Jenbach, Austria, 2000. Praca wykonana w ramach projektu badawczego nr 4 T10B 022 25 finansowanego ze środków Komitetu Badań Naukowych. Autorzy wyrażają podziękowania za dofinansowanie badań.