Analiza przyłączenia do sieci elektrowni biogazowej

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 Un = 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 PN = 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
SnT= 14000 kVA
UnTH= 115 kV
UnTL= 16,5 kV
PCuT= 140 kW
uz= 10%
2.3.2. Generator
Pn= 785 kW
cosφ= 0,94
Un= 0,4 kV
In= 1205 A
2.3.1. Transformator przy generatorze
SnT= 1000 kVA
UnTH= 15,75 kV
UnTL= 0,4 kV
PkrT= 1400 W
uz= 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
Numer linii
1-2
2-3
3-4
1-5
5-6
6-7
6-8
1-9
9-10
Tr-6
Parametry linii
l
s
km
mm2
5
95
5
70
3
50
6
95
5
50
5
50
4
50
6
70
5
70
0,5
50
gdzie:
s - przekrój żyły przewodu;
l - długość danego odcinka;
R - rezystancja danego odcinka;
X - reaktancja danego odcinka.
R
Ω
1,59
2,16
1,82
1,91
3,03
3,03
2,42
2,59
2,16
0,303
X
Ω
2
2
1,2
2,4
2
2
1,6
2,4
2
0,2
Z
Ω
2,56
2,95
2,18
3,07
3,63
3,63
2,9
3,54
2,95
0,363
Dane otrzymane w tablicy 1, zostały obliczone z następujących wzorów:
(1)
gdzie:
R - rezystancja danego odcinka;
l
- długość danego przewodu;
γ - przewodność aluminium 33MS;
s - przekrój danego przewodu.
oraz:
Reaktancję jednostkową przyjęto jako 0,4 Ω/km.
Spadki napięcia dla poszczególnych odcinków systemu obliczono ze wzoru:
(2)
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.
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].
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
21
20,5
20
V 19,5
100%
19
50%
18,5
0%
18
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:
(3)
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].
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 j 
i0%  S rT
100
(5)
Qx 
u kr %  S rT
100
(6)
Pt  Pj  Pcun   2 kW
(7)
Qt  Q j  Qx   2
(8)
gdzie:
Q j
- straty mocy biernej biegu jałowego;
Qx - straty mocy biernej dla obciążenia znamionowego;
Pj - straty mocy czynnej biegu jałowego;
Pcun - straty mocy czynnej dla obciążenia znamionowego;
Pt - straty mocy czynnej obciążonego transformatora;
Qt - straty mocy czynnej obciążonego transformatora;
i0% - procentowy prąd stanu jałowego;
u kr % - procentowe napięcie zwarcia;
ß
- współczynnika obciążenia transformatora.
Korzystając w powyższych wzorów ( wzory od 3 do 8) obliczono straty mocy czynnej oraz
biernej.
Tablica 3
1-2
2-3
3-4
1-5
5-6
6-7
6-8
1-9
9-10
Tr-G
Zestawienie danych obliczeniowych strat przesyłowych
100%
100% mocy BG
0% mocy BG
50% mocy BG
0% mocy
mocy
ΔP
ΔQ
ΔP
ΔQ
ΔQ
ΔS
ΔP kW
ΔS kVA
kW
kVar
kW
kVar
kVar
kVA
0,149
0,188
0,149
0,188
0,149 0,188 0,240
0,240
0,063
0,058
0,063
0,058
0,063 0,058 0,086
0,086
0,009
0,006
0,009
0,006
0,009 0,006 0,011
0,011
0,127
0,159
0,193
0,242
0,157 0,198 0,203
0,310
0,044
0,029
0,097
0,065
0,068 0,045 0,053
0,117
0,016
0,011
0,017
0,011
0,017 0,011 0,019
0,020
0,026
0,017
0,027
0,018
0,026 0,017 0,031
0,032
0,072
0,067
0,072
0,067
0,072 0,067 0,098
0,098
0,01
0,009
0,01
0,009
0,01
0,009 0,013
0,013
0
0
0
0
0
0
0
0
Suma
0,516
Nr.
gałęzi
0,544
0,637
0,664
0,571
0,599
0,755
0,927
50%
mocy
ΔS kVA
0,240
0,086
0,011
0,253
0,082
0,020
0,031
0,098
0,013
0
0,834
Tablica 4
Zestawienie obciążenia linii
Odcinek
linii
1-2
2-3
3-4
1-5
5-6
6-7
6-8
1-9
9-10
Tr-G
Obciążenie dla
100%
%
61,3
42,1
24
51,3
41,3
25,1
34,9
41,1
16,8
18,4
Obciążenie dla
0%
%
61,3
42,1
24
63,3
61,2
25,7
35,8
41,1
16,8
0
Obciążenie dla
50%
%
61,3
42,1
24
57,2
51,1
25,4
35,3
41,1
16,8
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:
√
(9)
gdzie:
Ik3” - prąd trójfazowy zwarciowy;
c
- współczynnik napięciowy równy 1,1 prądu maksymalnego,;
Z1
- impedancja zastępcza (składowa zgodna).
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
(11)
Generator
(12)
Linia
√
Wartości rezystancji obliczono na podstawie wzoru (1).
Korzystając z powyższych wzorów oraz zależności wyznaczono:
(13)
Tablica 4
Numer linii
1-2
2-3
3-4
4-5
2-6
6-7
1-10
1-8
8-9
Tr-G
Wartości impedancji zastępczych linii
l
s
R
km
mm2
Ω
2
70
0,87
5
70
2,16
3
50
1,82
3
95
0,96
7
50
4,24
5
50
3,03
4
50
2,42
5
70
2,16
3
70
1,30
5
50
2,16
X
Ω
0,8
2,0
1,2
1,2
2,8
2,0
1,6
2,0
1,2
2,0
Z
Ω
0,8
2,0
1,2
1,2
2,8
2,0
1,6
2,0
1,2
2,0
Korzystając ze wzoru [9] otrzymano:
Dla pracy z biogazownią na szynach transformatora przy generatorze:
Dla pracy bez biogazowni prąd ten wynosi:
Ik3”= Ik2 = 0,89 kA
Dla pracy z biogazownią na szyny w węźle 1:
Ik3”=Ik1+Ik2 = 0,41 + 4,75 = 5,16 kA
Dla pracy bez biogazowni prąd ten wynosi:
Ik3”= Ik2 = 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
Pn= 785 kW
cosφ= 0,94
Un= 0,4 kV
In= 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 m3 biogazu przy średniej sprawności
systemu pozyskiwania gazu η=85 %
1 m3=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 m3
Kiszonka kukurydzy: ˜120 m3
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. M3
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
materiału wsadowego
Środki transportu
Komora fermentacyjna
Układ kogeneracyjny
System grzewczy
Instalacja wodno-kanalizacyjne i
gazowe
Przechowywanie pulpy
pofermentacyjnej
Prace budowlano-montażowe
Instalacje elektryczne i pomiarowe
Inne: w tym
-Cena Generatora
-Cena transformatora
-Roczne wynagrodzenie 10
pracowników Brutto
-Roczny koszt Importowanego Wsadu:
2,1
0,35
2,8
2,98
0,53
1,23
1,05
2,28
1,4
3,725
0,28
0,045
0,54
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
• Energii elektrycznej po 2020 roku
• Zielonych certyfikatów do 2018 roku
• żółtych certyfikatów do 2020 roku
• Substratu
• Nawozu
5,00%
2,00%
5,00%
5,00%
2,50%
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
Sprzedaż energii elektrycznej
Sprzedaż Ciepła
Sprzedaż zielonych ŚP
Sprzedaż żółtych ŚP
Rekompensata za wykorzystanie
pulpy na polach własnych
Kwota: 4,85 mln
1,16
0,53
1,61
0,73
0,82
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