austrian case studies

Promocja
rozproszonych
elektrociepłowni
Frankfurt
nad Menem
(Niemcy)
UJĘCIE OGÓLNE
Frankfurt jest handlowym i finansowym sercem
Niemiec. Niegdyś to wolne miasto, położone nad
rzeką Men, na skrzyżowaniu europejskich szlaków
handlowych, było miejscem koronacji cesarzy.
TŁO PROJEKTU
Lokalna agencja energetyczna Energiereferat we Frankfurcie utworzona w 1989 r. ma za zadanie
promowanie redukcji emisji dwutlenku węgla oraz rozwijanie strategii oszczędzania energii na terenie
miasta.
Działania tej agencji koncentrują się na poprawie efektywności
energetycznej i redukowaniu zużycia energii na wszystkich polach.
W 1990 r. agencja Energiereferat rozpoczęła prowadzenie
systematycznych badań, szukając obiektów odpowiednich do
zainstalowania rozproszonych systemów kogeneracyjnych. Dla
potrzeb projektu opracowano metodę oceny wykonalności
technicznej i żywotności ekonomicznej. Badania uwzględniały także
wpływ kogeneracji, a w niektórych przypadkach trójgeneracji na
środowisko.
Wykorzystanie kogeneracji dla potrzeb centralnego ogrzewania we
Frankfurcie ma długą tradycję. Pierwsza elektrociepłownia powstała
w 1926 r. i zaopatrywała w parę kompleks budynków Szpitala
Uniwersyteckiego, biura w pobliskim porcie oraz mieszkania
w mieście.
W latach 1963-1964 rozszerzono zasięg centralnego ogrzewania obejmując nim ogromną nowo
zabudowaną przestrzeń w północno-zachodniej części miasta, zaopatrując ją w parę pochodzącą ze
spalarni odpadów. Do roku 1994 stopniowo zwiększano produkcję energii przesyłanej do sieci centralnego
ogrzewania, tak że całkowita wydajność elektrociepłowni wynosi obecnie 1004 MW.
Energie Cités
2003
PODJĘTE DZIAŁANIA
W 1990 r. Rada Miasta zadecydowała, że rozproszona kogeneracja powinna stać się głównym elementem
programu ochrony klimatu miasta. Zgodnie z uchwałami Rady Miasta agencja Energiereferat rozpoczęła
prowadzenie systematycznych badań, szukając obiektów odpowiednich do zainstalowania rozproszonych
systemów kogeneracyjnych. Na potrzeby projektu opracowano metodę oceny wykonalności technicznej
i żywotności ekonomicznej. Badania uwzględniały także wpływ kogeneracji, a w niektórych przypadkach
trójgeneracji na środowisko.
Wybrano trzynaście obiektów charakteryzujących się dużym zapotrzebowaniem na ciepło i moc (szpitale,
publiczne baseny, biura), które poddano ocenie wykonalności technicznej. Początkowo badania
przeprowadzano tylko w obiektach znajdujących się poza obszarem objętym siecią centralnego ogrzewania,
aby uniknąć współzawodnictwa między centralnym ogrzewaniem a kogeneracją. W studium tym główny
nacisk położono na techniczną żywotność, nie biorąc pod uwagę ani stanu, w jakim znajdował się
zainstalowany system grzewczy, ani gotowości zarządcy budynku do inwestowania w nową technologię.
W rezultacie w wyniku przeprowadzenia tych badań tylko jeden projekt został zrealizowany. Instalacja w
1994 r. w szpitalu trójgeneracyjnego systemu, który działał przez ponad 8200 godzin rocznie w pierwszym
roku funkcjonowania, okazała się dużym sukcesem.
W świetle tych badań dokonano wyboru kolejnych obiektów, biorąc pod uwagę, oprócz kryteriów
technicznych, aspekty ekonomiczne i emocjonalne. Przeprowadzono także dalsze badania niektórych
wniosków, np. dotyczących domów spokojnej starości, schronisk czy warsztatów dla niepełnosprawnych.
Do dnia dzisiejszego przygotowano ponad 140 studiów wykonalności dla szpitali, biur, domów spokojnej
starości i innych obiektów charakteryzujących się dużym zużyciem ciepła i/lub energii elektrycznej. Oprócz
oceny wykonalności technicznej dla nowych lub istniejących już budynków agencja Energiereferat
przygotowuje także opracowania dotyczące wykorzystania alternatywnych sposobów dostarczania energii
w nowych planach rozwoju miasta.
Proces ten nazwano systematycznym planowaniem odkrywczym. W rezultacie tego procesu rozproszona
produkcja energii cieplnej i elektrycznej w małych i średnich jednostkach w mieście wzrosła w latach
1990-2002 od 0,1 MWel do 24,0 MWel (biura, szpitale, pływalnie itp.). W sumie uruchomionych zostało
70 elektrociepłowni o potencjale od 5 kWel (przedszkole) do 4000 kWel (bank German Federal).
Wyniki badań przeprowadzonych we Frankfurcie wskazują na istnienie potencjału dla przyszłego rozwoju
rozproszonych małych i średnich jednostek kogeneracyjnych o mocy przynajmniej 20 do 30 MW.
16
27
number of units
24
installed electrical power
14
cumulatet electrical power
21
12
18
10
15
8
12
6
9
4
6
2
3
0
cumulated electrical power output (MW)
yearly installation (MW, number of units)
18
0
1991 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Rys. 1. Rozwój zdecentralizowanej kogeneracji we Frankfurcie nad Menem
Energie Cités
2003
Zakłady kogeneracyjne są finansowane i obsługiwane albo przez właściciela budynku albo przez
zakontraktowane firmy (np. lokalne zakłady, prywatne przedsiębiorstwa, firmy budowlane). Większość
zakładów jest zasilana naturalnym gazem, co pozwala zredukować emisję tlenków węgla i azotu o 50%
poniżej wymaganego poziomu. W niektórych zakładach używa się także oleju opałowego. W 1999 r.
uruchomiono pierwszy zakład kogeneracyjny (440 kWel) wykorzystujący biogaz z kompostowni. Według
nowego prawa niemieckiego (EEG) wysokość opłat za energię elektryczną, uzyskiwaną z energii
odnawialnej, została określona na tak satysfakcjonującym poziomie, aby w przyszłości częściej powstawały
zakłady kogeneracyjne wykorzystujące energię odnawialną (biogaz lub biopaliwa). Duża różnorodność
miejsc, w których powstały zakłady kogeneracyjne, np. szpitale, szkoły, biura, małe systemy centralnego
ogrzewania mieszkań, prywatne domy, pływalnie, ogród botaniczny oraz schroniska, dowodzi, że
kogeneracja może znaleźć zastosowanie nie tylko w przemyśle.
16
Capacity in kWel
8000
Number of
Installations
13
14
7000
6000
10
5000
10
9
4000
3000
2000
3
1000
4
3
4
Number of installtions
Capacity
9000
el
lin
g
Ba
th
m
in
g
im
D
w
te
l
s
os
H
Sw
Bu
si
ne
s
ho
ol
Sc
os
pi
ta
l
In
du
st
ry
H
O
D
th
is
er
tri
ct
-H
ea
tin
g
O
ffi
ce
0
Rys. 2. Moc zainstalowanych elektrowni i liczba różnorodnie zlokalizowanych instalacji
Narzędzia porównawcze
Agencja Energiereferat przez ostatnie dziesięć lat wypracowała różnorodne narzędzia służące do
technicznej, ekonomicznej i środowiskowej oceny projektów kogeneracyjnych.
Należą do nich programy kalkulacyjne, pozwalające wyliczyć krzywą rocznego zapotrzebowania na ciepło
w różnych przypadkach, programy umożliwiające oszacowanie liczby godzin pracy zakładu kogeneracyjnego
oraz arkusze kalkulacyjne służące do porównań ekonomicznych stworzone w oparciu o wytyczne techniki
niemieckiej (VDI 2067).
Od 1994 r. agencja zwraca się z prośbą do europejskich dostawców energii o coroczne oszacowanie
standardowych cen w celu zgromadzenia aktualnych informacji o cenach dostępnych jednostek
kogeneracyjnych. W odpowiedzi na istniejące ogromne zapotrzebowanie, zwłaszcza ze strony doradców
ds. planowania i inżynierii, agencja Energiereferat od 1995 r. rozpoczęła publikowanie podsumowania tych
badań.
W wydaniu z 2001 r. zebrano informacje na temat kosztów inwestycji i eksploatacji oraz cen kapitalnego
remontu w ponad 250 jednostkach kogeneracyjnych wykorzystujących różnorodne paliwa (naturalny gaz,
olej opałowy, biogaz i biopaliwo). Zestawienie to stanowi integralną część podręcznika inżynierii dla
zakładów kogeneracyjnych i zostało także dołączone do programu komputerowego (BHKW-PLAN; ZSW
Stuttgart) przeznaczonego do projektowania jednostek kogeneracyjnych i ich oceniania z punktu widzenia
ekonomii. We współpracy z miastami Hanover i Frankfurt opracowane zostało również wyjątkowe narzędzie,
służące do porównywania kosztów ciepła uzyskiwanego z pojedynczych kotłów gazowych z kosztami ciepła
pochodzącego z centralnego ogrzewania wykorzystującego kogenerację. Narzędzie ma przede wszystkim
służyć pomocą planistom zajmującym się rozwojem obszarów miejskich w sprawdzaniu alternatywnych
sposobów dostarczania energii na nowo rozwijających się terenach. Wymienione powyżej narzędzia
pozwalają szybko, według standardów i w sposób możliwy do porównania przygotować studia wykonalności
technicznej wybranych inwestycji.
Doświadczenie praktyczne
Od roku 1998 użytkownicy i obsługa jednostek kogeneracyjnych są regularnie zapraszani do udziału
w dyskusji przy okrągłym stole na temat problemów związanych z działaniem, konserwacją i wydajnością.
Na spotkaniu, które odbyło się w 2002 r., analizowano dane z 44 obiektów o łącznej liczbie 59 silników
i o mocy produkcyjnej 9700 kW.
Energie Cités
2003
6.196
Office (3)
4.715
Business (1)
6.700
Industry (1)
7.125
Hospital (2)
5.970
District heating (6)
School (9)
5.372
Swimming bath (2)
6.939
Others (7)
5.135
Hostel (9)
5.825
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Rys. 3. Godziny pracy różnych zakładów kogeneracyjnych (2001)
Liczba godzin pracy waha się od 800 do 8715 godzin rocznie, a przeciętna dostępność przekraczała 95%.
Aktualne koszty eksploatacji wynoszą od 0,35 centów/kWh (wytwarzana moc 1000 kW) do 3,15 centów/kWh
(wytwarzana moc: poniżej 30 kW).
Techniki innowacyjne
Energiereferat oprócz promowania instalacji standardowych obiektów do kogeneracji motorowej stara się
wspólnie z lokalnymi zakładami oraz innymi współpracującymi partnerami demonstrować i testować
innowacyjne i zmodernizowane systemy kogeneracyjne.
Pierwszym z takich projektów był projekt demonstracyjny dotyczący niewielkiego systemu kogeneracyjnego
dla Senertech-Dachs, o mocy 5,5 kW, sfinansowany przez władze Hesji wspólnie z regionalną agencją
ds. energii oraz lokalnymi zakładami. Projekt okazał się wielkim sukcesem, a w jego wyniku powstało
w początkach 1994 roku 15 obiektów (z czego 5 w samym Frankfurcie). Do dzisiejszego dnia niektóre z tych
motorów przepracowały bez większej awarii ponad 50 tys. godzin.
W roku 1998 zainstalowano system do kogeneracji, bazujący na ogniwach paliwowych (ONSI PC25;
200 kWel). Urządzenie zapewnia energię cieplną i elektryczną dla miejskiego basenu. Projet ten został
zrealizowany przez lokalny zakład (MAINOVA AG) przy współfinansowaniu ze środków funduszu
oszczędności energii uformowanego przez zakład macierzysty (E.ON). Ocena projektu została
przeprowadzona przez zakład inżynierii Uniwersytetu we Frankfurcie.
Zakłady MAINOVA AG zapoczątkowały także projekt pilotażowy z wykorzystaniem silnika Stirlinga o mocy
10 kWel. Umiejscowiony w hotelu system kogeneracyjny o mocy 50 kW został wzbogacony o dodatkowy
wymiennik ciepła, by możliwe było wykorzystanie na terenie budynku do celów wstępnego podgrzewania
ciepłej wody użytkowej ubocznego efektu w postaci ciepła wydzielanych gazów spalinopwych (wymiennik
kondensacyjny). Instalacja ta okazała się niezwykle skuteczna, podnosząc całkowitą efektywność
wykorzystania energii do ponad 95%.
Prototypowe urządzenie absorbujące ciepło ze źródła o wysokiej temperaturze – gazów wydechowych –
zostało dodane do systemu kogeneracyjnego w ogrodzie botanicznym. Funkcjonowanie urządzenia zostało
przetestowane w rzeczywistych warunkach pracy. Podczas gdy dla standardowego wymiennika
kondensacyjnego temperatura wejściowa jest ograniczona do 50°C, wspomniana konstrukcja umożliwia
stosowanie temperatur do 90°C.
Koszt tego dodatkowego urządzenia zwróci się w okresie krótszym niż cztery lata. Po uzyskaniu dla tej
innowacyjnej techniki pozytywnych wyników testów, w Kolonii i Frankfurcie planuje się zainstalowanie
kolejnych dwóch takich jednostek.
W lipcu 2002 r. w obrębie miejskiego basenu krytego została zainstalowana mikroturbina gazowa
dostarczająca energię cieplną i elektryczną, o mocy elektrycznej 100 kW.
Energie Cités
2003
ZDOBYTA WIEDZA
Doświadczenie Frankfurtu prezentuje, jak niewielkie obiekty kogeneracyjne wspierają lokalne społeczności
w redukcji emisji CO2 i zwiększaniu efektywności wykorzystania energii. 70 takich systemów, działających
w obrębie Frankfurtu, zmniejsza poziom emisji o ponad 68 tys. ton rocznie. Pokaźna liczba zrealizowanych
projektów dotyczących kogeneracji oraz długa lista lokalizacji sprzyjających kogeneracji wydatnie ukazuje, iż
wciąż istnieje znaczny potencjał do wykorzystania tej formy generacji ciepła i energii elektrycznej,
a szczególnie do wytwarzania energii elektrycznej w miejscu wykorzystania, tak by stało się to integralnym
elementem dostaw energii we Frankfurcie i w Europie.
Doświadczenie Frankfurtu może być przekazane i wdrożone w innych ośrodkach Europy. Potencjał zawarty
w małych obiektach kogeneracyjnych, wraz z towarzyszącym im 30-procentowym zredukowaniem
podstawowego popytu na energię, jest bardzo znaczący i może wnieść istotny wkład w zmniejszenie
poziomu emisji CO2 – relatywnie szybko, nawet nawet w sytuacji zliberalizowanych warunków rynkowych.
Głównym czynnikiem wpływającym na sukces szeroko zakrojonej promocji takich rozwiązań jest
zaangażowanie niezależnych konsultantów lokalnych w akcję promowania oraz systematycznego
wyszukiwania lokalizacji odpowiednich dla niewielkich jednostek kogeneracyjnych. Decyzja władz Frankfurtu
o subsydiowaniu energii z opisywanych źródeł w kwocie 7 centów/kWh tworzyła dobre warunki rozwoju dla
małych i średnich obiektów kogeneracyjnych. Jednak ta forma wsparcia została wstrzymana w roku 2000
w wyniku liberalizacji rynku.
WNIOSKI DLA POLITYKÓW
Zliberalizowany rynek energii elektrycznej wpłynął na pogorszenie warunków funkcjonowania ciepłowni
kogeneracyjnych. Wynika to z niższych cen energii elektrycznej i obniżenia dopłat w ramach taryf. Jednak
wszyscy twórcy polityki na poziomie poszczególnych państw i Europy wyrażają wolę promowania ciepłowni
kogeneracyjnych jako środka do uzyskania redukcji poziomu emisji gazów cieplarnianych. Dlatego też
konieczne jest rozwinięcie mechanizmów na wszyskich poziomach – od państwowego do europejskiego –
w celu poprawy ekonomicznych warunków stosowania tego jednego z najbardziej skutecznych sposobów
redukcji CO2. Wprowadzona w roku 2002 nowa niemiecka regulacja prawna, dotycząca ciepłowni
kogeneracyjnych, ustanawiająca model „bonusowy”, stanowi jedynie niewielki zachęcający impuls
skierowany w stronę środowisk przemysłowych. Model ten funkcjonuje jedynie w przypadku energii
elektrycznej pochodzącej z kogeneracji, wprowadzonej do sieci energetycznej. Wciąż jednak istnieją
przeszkody na drodze wykorzystania energii elektrycznej z kogeneracji – np. zakłady energetyczne nie
dopuszczają sprzedaży takiej energii bezpośrednio mieszkańcom.
Komisja Europejska ustanowiła dyrektywę wstępną dla promowania energii elektrycznej z kogeneracji,
jednak dyrektywa ta nie określa ani celów, ani zaleceń dla struktur europejskich lub narodowych, które
pomogłyby wykorzystać ogromny potencjał ciepłowni kogeneracyjnych. Istnieją dwie możliwe struktury
wspierające kogenerację energii:
• system certyfikacyjny w połączeniu z wymaganiem rosnącego (określonego na poziomie
państwowym) udziału energii elektrycznej z kogeneracji w łącznej ofercie każdego dostawcy
(i oczywiście skuteczne formy kar w przypadku niespełnienia wymagań),
• ustalona dopłata do opłat (niezależna od standardowych przychodów jednostki) uzależniona od
rozmiaru obiektu – podobna do tej, jaka funkcjonuje w rozwiązaniach prawnych Niemiec i Austrii
w zastosowaniu do energii ze źródeł odnawialnych. Takie rozwiązanie zostało ostanio
zaproponowane przez niemieckie stowarzyszenie ciepłowni kogeneracyjnych (BKWK).
Energie Cités
2003
DODATKOWE INFORMACJE
Miasto Frankfurt nad Menem
Energiereferat – Municipal Energy Agency
Dr. Werner NEUMANN
Galvanistraße 28
DE-60486 Frankfurt am Main
E-mail: [email protected]
Opracowanie zostało przygotowane przez Graz Energy Agency jako część Zadania 9 w ramach
International Energy Agency DSM Implementing Agreement, Municipalities and Energy
Efficiency in a Liberalised System, dzięki współpracy z agencją Energiereferat we Frankfurcie
nad Menem.
Tłumaczenie przy wsparciu Francuskiego Ministerstwa Spraw Zagranicznych.
Energie Cités
2003