02 - Wojas Wanatowicz

KOGENERACJA WYSOKOSPRAWNA – PROJEKTOWANE ZMIANY ORAZ
PORÓWNANIE METODOLOGII OBLICZEŃ W POLSCE I REPUBLICE
CZESKIEJ
Autor: Krzysztof Wojas, Paweł Wanatowicz
(„Rynek Energii” - październik 2010)
Słowa kluczowe: kogeneracja wysokosprawna, współczynnik skojarzenia, system wsparcia, tryb pełnej kogeneracji
Streszczenie. W artykule opisano projektowane zmiany w metodzie obliczeń energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji przedstawionej w projekcie rozporządzenia kogeneracyjnego, które wynikają z zapisów Decyzji Komisji z dnia 19 listopada 2008 r. w sprawie określenia szczegółowych wytycznych dotyczących wykonania i stosowania przepisów załącznika II do dyrektywy 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady. Zmiany te mogą spowodować, że jednostki
kogeneracji o sprawności przemiany niższej od sprawności granicznej zostaną pozbawione wsparcia wynikającego z produkcji energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji. W artykule przedstawiono także metodę obliczeń stosowaną
w Republice Czeskiej i porównano ją z polskimi algorytmami obliczeń.
1. WSTĘP
Planowane zmiany w metodzie obliczeń energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej
kogeneracji w sektorze wytwórczym energetyki budzą szereg uwag i obaw. Mogą spowodować, że
wiele jednostek wytwórczych zostanie pozbawionych wsparcia związanego z wytwarzaniem tej energii.
Nowa metodologia obliczeń powoduje znaczne i zazwyczaj niekorzystne dla jednostek efekty, jednakże
jest uzasadniana koniecznością implementacji zapisów prawa europejskiego. W artykule
przeanalizowano wpływ zmian metodologii współczynnika C, będącego jednym z kluczowych
wielkości obliczanych dla jednostek kogeneracji o sprawności ogólnej niższej od sprawności granicznej
(odpowiednio 75% lub 80%). W artykule porównano metodologię obliczeń stosowaną w Republice
Czeskiej z metodologią stosowaną oraz planowaną do zastosowania w Polsce.
2. METODOLOGIA OBLICZEŃ W POLSCE
Obecnie stosowana metodologia obliczeń energii elektrycznej wyprodukowanej w wysokosprawnej
kogeneracji wykorzystywana jest od połowy 2007 roku. Zasady te zostały wprowadzone w
rozporządzeniu [9] będącym aktem wykonawczym ustawy [10] i zostały wprowadzone na podstawie
nowelizacji ustawy [11]. Metodologia obliczeń oparta jest na zapisach dyrektywy [4] oraz Decyzji
Komisji [3].
Zgodnie z tą metodologią, w przypadku jednostek kogeneracji, których sprawność przemiany energii
chemicznej w energię elektryczną lub mechaniczną i ciepło użytkowe (zwana sprawnością ogólną) jest
niższa od sprawności ogólnej (odpowiednio 75% lub 80%), tylko część energii elektrycznej może
zostać zaliczona do energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji wysokosprawnej. W celu
wyznaczenia ilości tej energii oblicza się wartość współczynnika C, określającego stosunek energii
elektrycznej wytworzonej w kogeneracji Abq do ciepła użytkowego w kogeneracji Quq. Sposób
obliczania współczynnika C opiera się na założeniach szczegółowo opisanych w [8]. Zasady
wyznaczania współczynnika C w stosowanej metodologii obliczeń:
− są ściśle związane ze sprawnością wytwarzania energii elektrycznej poza procesem kogeneracji ηek,
− bazują na założeniu, że suma cząstkowych sprawności wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w
kogeneracji (ηqe i ηqc) jest równa sprawności granicznej ηgr,
− powodują, że obliczana wartość Abq nie przekracza całkowitej ilości wyprodukowanej energii elektrycznej brutto Ab,
− pozwalają na wykazanie oszczędności energii pierwotnej w przypadku jednostek kogeneracji
produkujących energię elektryczną i ciepło w skojarzeniu z wysoką sprawnością wyznaczoną
zgodnie z normą [6].
W I połowie 2010 roku ukazał się projekt rozporządzenia [7], które ma zastąpić rozporządzenie [9].
Celem zmiany rozporządzenia jest m.in. wprowadzenie do polskiego prawa zapisów Decyzji Komisji
[2]. Zmiany dotyczą przede wszystkim jednostek kogeneracji posiadających sprawność ogólną niższą
od sprawności granicznej.
Zgodnie z Decyzją Komisji [2] jednostki kogeneracji posiadające sprawność ogólną niższą od
sprawności granicznej można wirtualnie podzielić na część kogeneracyjną i niekogeneracyjną oraz:
− w przypadku części kogeneracyjnej należy sprawdzić, czy jednostka pracuje w trybie „pełnej kogeneracji” (tj. z maksymalnym technicznie możliwym odzyskiem ciepła własnego),
− w trybie „pełnej kogeneracji” przyjmuje się, że całość energii elektrycznej jest wytwarzana
w skojarzeniu,
− współczynnik C wyznaczany jest na podstawie pomiaru ilości wyprodukowanej energii elektrycznej
i ciepła użytkowego w części kogeneracyjnej w trybie „pełnej kogeneracji”.
Powyższe zapisy Decyzji Komisji [2] do projektu rozporządzenia [7] zostały zaimplementowane w następujący sposób:
− od 2011 roku współczynnik C należy wyznaczyć na podstawie zależności:
3,6 ∙ ‫ܣ‬௕௥
‫=ܥ‬
ܳ௨௥
gdzie: Abr – ilość energii elektrycznej zmierzona na zaciskach generatora w okresie pomiarowym,
MWh, Qur – ilość ciepła użytkowego w kogeneracji zmierzona w okresie pomiarowym, GJ,
− wielkości Abr i Qur wyznacza się na podstawie rzeczywistych parametrów technologicznych
w dowolnym okresie pracy jednostki kogeneracyjnej z maksymalnym technicznie możliwym
wykorzystaniem ciepła użytkowego.
Zasady przedstawione w Decyzji Komisji [2] i projekcie rozporządzenia [7] nie są spójne. Ponadto wątpliwości budzą już zapisy Decyzji Komisji [2], gdyż w przypadku jednostek kogeneracji posiadających
turbozespoły upustowo-kondensacyjne najczęściej nie ma możliwości wirtualnego wydzielenia części
kogeneracyjnej oraz okresu pracy jednostki w trybie „pełnej kogeneracji” w taki sposób, aby ilość
wyprodukowanej energii elektrycznej z części kogeneracyjnej mogła zostać określona na podstawie
bezpośredniego pomiaru, ponieważ pomiar ilości energii elektrycznej obejmuje całe turbozespoły, a
więc także energię elektryczną wytworzoną na ilości pary wprowadzonej do kondensatora. Przyjęcie do
obliczeń energii elektrycznej zmierzonej na zaciskach generatora, obejmującej energię wyprodukowaną
na strumieniu pary do skraplacza, powoduje znaczący wzrost wartości współczynnika C (a zatem
wzrost wartości Abq), ale także powoduje także znaczące obniżenie wskaźnika PES. W związku z tym
zazwyczaj energia Abq nie może zostać zaliczona do energii wytworzonej w kogeneracji
wysokosprawnej (dla jednostek o mocy nominalnej powyżej 1 MW wskaźnik PES nie osiąga
wymaganej wartości 10%). Dodatkowo zasady te są znacząco sprzeczne z zasadami fizycznymi
opisanymi w normie [6].
W związku z tym, że dyrektywa [4] oraz Decyzje Komisji [3] i [2] dotyczą także pozostałych państw
członkowskich Unii Europejskiej, poniżej przedstawiono sposób implementacji zapisów ww. dokumentów w Republice Czeskiej.
3. METODOLOGIA OBLICZEŃ W REPUBLICE CZESKIEJ
W Republice Czeskiej zapisy dyrektywy [4] wdrożono rozporządzeniem z dnia 31 października 2005 r.
nr 439/2005 ustanawiającym szczegółowy sposób wyznaczania ilości energii elektrycznej ze skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oraz wyznaczania ilości energii elektrycznej z wtórnych
źródeł energii [13].
Po uchwaleniu Decyzji Komisji [2] ukazało się nowe rozporządzenie nr 344/2009 z 30 września 2009 r.
[12], w którym zaprezentowano szczegółowy sposób wyznaczania energii elektrycznej z kogeneracji
wysokosprawnej, nie różniący się znacząco od zasad przedstawionych w [13].
Sposób wyznaczania energii elektrycznej i ciepła użytkowego w kogeneracji obowiązujący w Republice
Czeskiej różni się jednak od metodyki polskiej obowiązującej wg [9] i projektowanej wg [7].
Przede wszystkim w Republice Czeskiej wyznaczana ilość energii elektrycznej uzależniona jest od
rodzaju stosowanej technologii: turbiny parowej przeciwprężnej, upustowo-kondensacyjnej, turbiny
gazowej z odzyskiem ciepła, silnika spalinowego czy układów gazowo-parowych z odzyskiem ciepła.
W przypadku układów mieszanych (np. jednostka kogeneracji z turbinami upustowo-kondensacyjnymi
oraz przeciwprężnymi) rozdziela się ilość ciepła użytkowego z poszczególnych urządzeń.
Przykładowo, w przypadku osiągnięcia przez jednostkę kogeneracji z turbiną parową przeciwprężną
sprawności ogólnej poniżej sprawności granicznej, ilość energii elektrycznej z kogeneracji jest równa:
ET = QužT · yp · xp ,
MWh,
gdzie: ET – ilość energii elektrycznej z kogeneracji, MWh, QužT – ciepło użytkowe, MWh, yp – współczynnik określający stosunek produkcji energii elektrycznej do produkcji ciepła użytkowego za dany
okres, xp – współczynnik wpływu obciążenia turbiny.
Wartości współczynników yp i xp dla turbin przeciwprężnych odczytuje się z odpowiednich tabel zamieszczonych w rozporządzeniu [12].
W podobny sposób wyznacza się ilość energii elektrycznej z kogeneracji wytworzonej w turbinie upustowo-kondensacyjnej, która nie spełnia warunku uzyskania sprawności granicznej:
ET = QužT · yko · xp,
MWh,
gdzie: ET – ilość energii elektrycznej z kogeneracji, MWh, QužT – ciepło użytkowe, MWh, yko – współczynnik określający stosunek produkcji energii elektrycznej w urządzeniach kogeneracyjnych do
wytworzonego ciepła użytkowego za dany okres obliczeniowy.
Wartości współczynników yko i xp dla turbin upustowo-kondensacyjnych odczytuje się z odpowiednich
tabel zamieszczonych w rozporządzeniu [12].
W przypadku, gdy część energii elektrycznej została wytworzona poza procesem kogeneracji, wyznacza
się ją ze wzoru:
‫ܧ‬௄ =
ெೖ೚ ∙ሺ௜ೌ೏ ି௜ೖ೚ ሻ
௤೐೗ೖ೚೙೏
, MWh,
gdzie: EK – ilość energii elektrycznej wytworzonej poza procesem kogeneracji, MWh, Mko – ilość kondensatu za turbiną w danym okresie, Mg, iad - entalpia pary przed turbiną, GJ/Mg, iko - entalpia
kondensatu z kondensatora, GJ/Mg, qelkond - zużycie ciepła na wytwarzanie energii elektrycznej w trybie
kondensacyjnym (przyjęta na podstawie danych producenta lub wyznaczona przez niezależną
instytucję), GJ/MWh.
W rozporządzeniu [12] zamieszczono także warunek, że wyznaczona ilość energii elektrycznej z
kogeneracji nie może być większa niż całkowita produkcja energii elektrycznej pomniejszona o
produkcję energii elektrycznej wytworzonej poza procesem kogeneracji.
Za energię elektryczną wytworzoną w wysokosprawnej kogeneracji przysługuje wsparcie. Kwoty
wsparcia ogłaszane są corocznie przez czeski odpowiednik Urzędu Regulacji Energetyki - ERÚ
(Energetický Regulační Úřad) w „Decyzji w sprawie cen”. W roku 2010 obowiązuje „Decyzja w
sprawie cen” nr 4/2009 [1] i zgodnie z nią za energię elektryczną wytworzoną w kogeneracji z
produkcją ciepła, za wyjątkiem wytwarzania przy użyciu odnawialnych źródeł energii lub spalania metanu, wytwórca energii elektrycznej z kogeneracji wysokosprawnej otrzymuje:
− 470 Kč/MWh (tj. 75,40 zł) w jednostkach o mocy zainstalowanej do 1 MW łącznie,
− 390 Kč/MWh (tj. 62,56 zł) w jednostkach o mocy zainstalowanej od 1 do 5 MW łącznie,
− 45 Kč/MWh (tj. 7,22 zł) w jednostkach o mocy zainstalowanej ponad 5 MW.
4. PORÓWNANIE METODOLOGII STOSOWANYCH W POLSCE I REPUBLICE CZESKIEJ
W celu porównania stosowanych metodologii obliczeń opracowano dwa uproszczone modele jednostek
kogeneracji posiadające po jednym „bloku”. Pierwsza zamodelowana jednostka posiada turbinę
upustowo-kondensacyjną (rys. 1a), natomiast druga – turbinę przeciwprężną (rys. 1b). Na rysunkach
zaznaczono podstawowe parametry pracy urządzeń, dobrane w taki sposób, aby sprawność ogólna
jednostek kogeneracji nie przekraczała sprawności granicznej. Dla tych modeli dokonano obliczeń
symulacyjnych opartych o metodologię stosowaną w Polsce (aktualnie obowiązującą oraz
przewidywaną do stosowania od początku 2011 roku) oraz metodologię stosowaną w Republice
Czeskiej. W przypadku jednostki kogeneracji z turbiną upustowo-kondensacyjną obliczenia wykonano
dla dwóch wartości strumienia pary upustowej. Obliczenia wykonano dla 1h. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 1.
b)
a)
Rys. 1. Jednostki kogeneracyjne
Obliczenia wykazały, że zmiana metodologii obliczeń współczynnika C w 2011 roku w Polsce przede
wszystkim spowoduje znaczne obniżenie wskaźnika PES dla jednostek kogeneracji wyposażonych w
turbiny upustowo-kondensacyjne, a co za tym idzie, jednostki te zostaną pozbawione wsparcia
wynikającego z produkcji energii elektrycznej wytwarzanej w wysokosprawnej kogeneracji. Nowa
metodologia obliczeń charakteryzuje się także znacznym wpływem ilości pobieranego ciepła z upustu
turbiny na wartość wskaźnika PES.
W przypadku jednostki kogeneracji z turbiną przeciwprężną, zarówno wyniki obliczeń wg metodologii
stosowanej w Polsce, jak i w Republice Czeskiej, nie pozwalają na zaliczenie energii elektrycznej do
energii wyprodukowanej w wysokosprawnej kogeneracji, niemniej wskaźnik PES obliczony wg
metodologii czeskiej jest wyższy niż wg metodologii polskiej.
Tabela 1
Porównanie wyników obliczeń kogeneracyjnych wg metodologii polskiej i czeskiej
Turbina upustowo-kondensacyjna
Turbina przeciwprężna
Mup = 10t/h
L.p.
1
1
2
Opis
2
Produkcja energii
elektrycznej
Produkcja ciepła
użytkowego
Symbol
Mup = 20t/h
Polska
J.m.
Polska
Rozporz.
Projekt
rozporz.
5
6
Republika
Czeska
7
Polska
Rozporz.
Projekt
rozporz.
8
9
Republika
Czeska
10
Rozporz.
Projekt
rozporz.
11
12
3
4
Ab
MWh
19,287
18,301
7,760
Qu
GJ
29,300
58,600
213,006
Republika
Czeska
13
3
Zużycie energii
chemicznej paliwa
Qb
GJ
295,556
295,556
323,412
4
Sprawność graniczna
ηgr
%
80,000
80,000
75,000
5
Sprawność ogólna
η
%
33,406
42,118
74,500
6
Produkcja energii
elektrycznej w
kogeneracji
Abq
MWh
2,207
19,287
3,907
4,414
18,301
7,813
7,702
7,760
7,760
7
Wskaźnik oszczędności
energii pierwotnej PES
PES
%
17,603
-25,182
11,131
17,603
-14,104
11,131
0,637
0,073
5,785
8
Produkcja energii
elektrycznej w
wysokosprawnej
kogeneracji
2,207
0,000
3,907
4,414
0,000
7,813
0,000
0,000
0,000
Abq (objęte
MWh
wsparciem)
5. PODSUMOWANIE
Zmiany metodologii obliczeń proponowane w projekcie rozporządzenia [2] są niekorzystne dla sektora
wytwórczego energetyki. Wyniki obliczeń symulacyjnych, jak również obliczeń wykonywanych przez
TÜV SÜD Polska Sp. z .o.o. w oparciu o rzeczywiste dane otrzymywane z jednostek wytwórczych
wskazują, że w wyniku zmian w metodologii obliczania wskaźnika C w większości jednostek
wytwórczych o sprawności ogólnej niższej od sprawności granicznej (przede wszystkim jednostek
wyposażonych w turbiny upustowo-kondensacyjne) otrzymywane wartości wskaźnika oszczędności
energii pierwotnej PES są zdecydowanie niższe od wyników uzyskanych w oparciu o metodologię
stosowaną obecnie i nie osiągają wartości pozwalającej na uzyskanie wsparcia wynikającego z
produkcji energii elektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji. Zmiany wynikające z metodologii
obliczeń współczynnika C nie mają uzasadnienia fizycznego, do algorytmów obliczeń zostały
wprowadzone fragmentarycznie, bez uwzględnienia powiązań z innymi wielkościami wyznaczanymi
w oparciu o dotychczasowe, znacząco odmienne założenia. Opisane zmiany metodologii obliczeń
współczynnika C nie są jedynymi zmianami, budzącymi wątpliwości i obawy jednostek wytwórczych.
Część tych zmian (np. sposobu uwzględniania równoważnika paliwowego) dotyczy mniejszej grupy
jednostek wytwórczych, jednakże ich wpływ może okazać się równie dotkliwy, jak wpływ zmian
opisanych w niniejszym artykule.
Powodem wprowadzenia zmian do rozporządzenia [9] są m.in. zapisy Decyzji Komisji [2], które
dotyczą nie tylko Polski, ale także pozostałych krajów członkowskich UE. Przedstawiona w artykule
metodologia obliczeń stosowana w Republice Czeskiej jest znacząco odmienna i znacznie prostsza od
metodologii stosowanej w naszym kraju, zaś zmiany związane z wprowadzeniem zapisów decyzji
komisji w Republice Czeskiej są „kosmetyczne”. Czeska metodologia obliczeń bazuje na
tabelarycznych, referencyjnych wartościach wskaźnika C przyjmowanych w zależności od rodzaju
zastosowanych turbin, korygowanych w zależności od poziomu średniego obciążenia turbozespołu
względem obciążenia nominalnego.
Pozostawienie dotychczasowych zasad obliczeń współczynnika C dla jednostek wytwórczych posiadających turbozespoły upustowo-kondensacyjne lub innych jednostek, w których stale występuje praca
w pseudokondensacji, rozwiązałoby wyżej opisane problemy.
LITERATURA
[1] Cenové rozhodnutí ERÚ č. 4/2009 kterým se stanovuje podpora pro výrobu elektřiny z
obnovitelných zdrojů energie, kombinované výroby elektřiny a tepla a druhotných energetických
zdrojů.
[2] Decyzja Komisji z dnia 19 listopada 2008 r. w sprawie określenia szczegółowych wytycznych
dotyczących wykonania i stosowania przepisów załącznika II do dyrektywy 2004/8/WE
Parlamentu Europejskiego i Rady (2008/952/WE).
[3] Decyzja Komisji z dnia 21 grudnia 2006 r. ustanawiająca zharmonizowane wartości referencyjne
wydajności dla rozdzielonej produkcji energii elektrycznej i ciepła zgodnie z dyrektywą
2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady.
[4] Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie
wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym
energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG; Dziennik Urzędowy L 052 , 21/02/2004 P. 0050 –
0060.
[5] Kotowicz J., Bartela Ł.: Wpływ zmian obciążeń elektrociepłowni gazowo-parowej na
charakterystyki termodynamiczne. Rynek Energii 2008, nr 5.
[6] Polska Norma PN-M-35500:1993 Metodyka obliczania zużycia paliwa do wytwarzania energii
elektrycznej, cieplnej i mechanicznej.
[7] Projekt Rozporządzenia Ministra Gospodarki [9] (wersja z dnia 30.07.2010 r., dostępna na stronach
internetowych Ministerstwa Gospodarki w dn. 27.08.2010 r.).
[8] Szymała A.: Kogeneracja wysokosprawna. Energetyka Cieplna i Zawodowa 2010, nr 7/8.
[9] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 września 2007 r. w sprawie sposobu obliczania
danych podanych we wniosku o wydanie świadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz
szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych świadectw,
uiszczania opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii
elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji Dz. U. 175 poz. 1314 z dnia 10
października 2007 r.
[10] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne. (Dz. U. z 2006 r. Nr 89, poz. 625 z późn.
zm.).
[11] Ustawa z dnia 12 stycznia 2007 r. o zmianie ustawy - Prawo energetyczne, ustawy Prawo ochrony
środowiska oraz ustawy o systemie oceny zgodności (Dz.U. z 2007 r. nr 21, poz. 124).
[12] Vyhláška č. 344/2009 Sb. ze dne 30. září 2009 o podrobnostech způsobu určení elektřiny z
vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla založené na poptávce po užitečném teple a
určení elektřiny z druhotných energetických zdrojů.
[13] Vyhláška č. 439/2005 Sb. ze dne 31. října 2005,kterou se stanoví podrobnosti způsobu určení
množství elektřiny z kombinované výroby elektřiny a tepla a určení množství elektřiny z
druhotných energetických zdrojů.
HIGH-EFFICIENCY COGENERATION – CHANGES IN POLISH LAW
AND COMPARISON OF METHODOLOGIES USED IN POLAND AND CZECH REPUBLIC
Key words: high-efficiency cogeneration, power to heat ratio, support system, full cogeneration mode
Summary. In this paper are presented changes in methodology of calculation of electric energy from high efficiency
cogeneration in Polish law due to new Commission Decision of 19 November 2008 and comparison of methodologies used
in Poland and Czech Republic.
Krzysztof Wojas, Specjalista ds. energetyki, TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. W firmie TÜV SÜD Polska Sp. z o.o.
zajmuje się zagadnieniami związanymi z gospodarką energetyczną, analizami niepewności, kogeneracją,
metodami rozliczania paliw i energii oraz systemami bilansowania i optymalizacji pracy jednostek wytwórczych.
Paweł Wanatowicz, Specjalista ds. energetyki i ochrony środowiska, TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. W firmie
TÜV SÜD Polska Sp. z o.o. zajmuje się zagadnieniami związanymi z monitorowaniem emisji CO2,
odnawialnymi źródłami energii, kogeneracją oraz szeroko pojętą gospodarką paliwową i energetyczną.