zastosowania układów mikrokogeneracji gazowej

zastosowania układów mikrokogeneracji gazowej

Str. 58
Rynek Energii
Nr 3(112) - 2014
ZASTOSOWANIA UKŁADÓW MIKROKOGENERACJI GAZOWEJ
W BUDYNKACH
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 NPV). 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 kWel 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 kWel), ale oferta handlowa i doświadczenia
eksploatacyjne są tu jeszcze ograniczone. Podstawowym paliwem układów CHP są paliwa gazowe.
2. UWARUNKOWANIA STOSOWANIA
MIKROKOGENERACJI
W BUDYNKACH
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.
Nr 3(112) - 2014
Rynek Energii
Ogólny schemat układu zasilania wydzielonego odbiorcy ze źródła CHP przedstawia Rys. 1 1.
Str. 59
3. SPECYFIKA ZAPOTRZEBOWANIA
NA NOŚNIKI ENERGII W BUDYNKACH
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 
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 ηel i cieplną ηQ. Nominalną moc elektryczną i cieplną modułu CHP wiąże ze sobą tzw.
wskaźnik skojarzenia :
N
   el .
QCHP
(1)
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.
 
N el , max
N el ,min
,
(2)
Przykładowe przebiegi dobowej zmienności zapotrzebowania 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).
Przykładowe przebiegi dobowej zmienności zapotrzebowania 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
Rys. 2. Dobowy przebieg zapotrzebowanie
na moc elektryczną w budynku [1]
Przykładowe przebiegi dobowej zmienności zapotrzebowania 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)



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!).
Rys. 4 . Przebieg średniego zapotrzebowania
na moc cieplną w budynku w ciągu roku
160,0
140,0
120,0
Zużycie ciepła, GJ
Przykładowe przebiegi dobowej zmienności zapotrzebowania 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:
Nr 3(112) - 2014
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
ń
ze
yc
st
ty
lu
c
ń
ze
ie
ar
iec
m
kw
c
c
ń
d
ń
ń
aj
ik
ie
ie
ie
ie
ie
m
pa
rn
w
lip erp rzes
ie
to rudz
er
lis
dz
si
cz
g
w
ź
pa
Rys. 5. Przebieg średniego zapotrzebowania
na moc cieplną w budynku biurowym w ciągu roku
4. DOBÓR UKŁADU CHP
W BUDYNKACH
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
Nr 3(112) - 2014
Rynek Energii
w całkowitym bilansie układu CHP: ciepła użytkowego dostarczanego z modułu CHP, ciepła traconego do otoczenia i ciepła użytkowego wytwarzanego
w kotłach rezerwowo-szczytowych. Na 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 NPV).
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 ηCHP, 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. Należy zwrócić uwagę, że ten
sposób doboru mocy skutkuje doborem urządzenia
o stosunkowo niskiej nominalnej mocy cieplnej
i elektrycznej.
500
Moc cieplna, kW
400
300
Moc cieplna C.O. + C.W.U.
200
Moc cieplna C.W.U.
100
Moc nominalna modułu CHP
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Czas, h
Rys. 6. Dobór nominalnej mocy cieplnej modułu CHP
(PES  max)
Należy 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
Str. 61
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 NPV czy IRR [2]. Jak wykazują analizy rodzaj
i parametry nominalne modułu CHP dobrane ze
względu na maksymalizację wskaźnika opłacalności
(np. NPV), 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 cchf, cena
energii elektrycznej cel (sprzedaż lub uniknięty
zakup) i cena świadectw pochodzenia cśp (o ile
działa system wsparcia kogeneracji).
Możliwy optymalny poziom mocy nominalnej modułu CHP w celu uzyskania maksymalnej wartości
wskaźnika NPV 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
Nr 3(112) - 2014
zapotrzebowanie na chłód (zwłaszcza poza sezonem
grzewczym).
500
Moc cieplna, kW
400
5. PODSUMOWANIE
Moc cieplna C.O. + C.W.U.
300
200
Moc nominalna modułu CHP
100
Moc cieplna C.W.U.
0
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 NPV
Należy 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
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.
LITERATURA
[1] Jarnut M.: Pomiary zapotrzebowania mocy elektrycznej w budynku testowym. Informacja własna, grudzień
2012.
[2] Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne. WNT, 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.
APPLICATIONS OF GAS SUPPLIED MICROCOGENERATION SYSTEMS IN BUILDINGS
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 NPV 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: [email protected]