Porównanie kocioł gazowy

NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII DLA BUDYNKÓW
WYKŁAD
ANALIZA ALTERNATYWNYCH SYSTEMÓW ZASILANIA
W ENERGIĘ BUDYNKU
Dr inż. Andrzej Wiszniewski
Wydział Inżynierii Środowiska
Politechnika Warszawska
Recast Dyrektywy EPBD – Artykuł 6
1. Kraje Członkowskie powinny podjąć niezbędne kroki w celu zapewnienia, aby wszystkie nowo
wznoszone budynki spełniały minimalne wymagania dotyczące charakterystyki
energetycznej, określonej zgodnie z wymaganiami podanymi w Artykule 4.
Dla budynków nowo wznoszonych Kraje Członkowskie powinny zapewnić, przed rozpoczęciem
budowy, opracowanie technicznej, środowiskowej i ekonomicznej analizy wykonalności
zastosowania alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię wymienionych poniżej, o ile są
dostępne:
a) indywidualne systemy zaopatrzenia w energię wykorzystujące odnawialne nośniki energii;
b) źródła produkujące ciepło i energię elektryczną w skojarzeniu;
c) scentralizowane bądź lokalne systemy ciepłownicze, szczególnie gdy są zasilane w całości lub częściowo
odnawialnymi źródłami energii;
d) pompy ciepła.
2. Kraje Członkowskie powinny zapewnić odpowiednie środki aby fakt przeprowadzenia analizy
o której mowa w paragrafie 1 był udokumentowany, zaś dokumentacja dostępna w celu weryfikacji.
3. Analiza zasadności zastosowania alternatywnych systemów zaopatrzenia w energię może być
przeprowadzona indywidualnie dla każdego budynku lub dla grupy budynków tego samego typu
położonych blisko siebie. W przypadku gdy rozpatrywany jest scentralizowany system zaopatrzenia
w ciepło lub chłód, analiza może być wykonana dla wszystkich budynków danej
lokalizacji, przyłączonych do systemu.
Metodyka analizy systemów zasilania w energie
budynków obejmuje :
– określenie listy technologii oraz nośników energii
możliwych do zastosowania w rozpatrywanym budynku;
– wybór nośników energii oraz stosowanych
technologii, biorący pod uwagę warunki przyłączenia do
sieci, niezawodność i warunki dostaw poszczególnych
nośników energii w miejscu lokalizacji budynku;
– porównanie wybranych rozwiązań pod względem wpływu
na środowisko oraz ekonomicznym;
– jednolitą formę raportu, który będzie wzorem dla
projektanta dla prezentacji wyników analizy.
Kryteria wyboru
Przy podejmowaniu decyzji o wyborze rodzaju
źródła energii dla budynku należy wziąć pod
uwagę następujące czynniki:
– Dostępność i pewność zasilania w wybrany nośnik
energii.
– Oczekiwane koszty zaopatrzenia w energię w cyklu
życia,
– Wpływ na stan środowiska.
LOKALIZACJA
Ustalenie
dostępnych
nośników energii
Charakterystyka
energetyczna
budynku
Warunki przył. do
sieci
(el., gaz, ciepło)
WYBÓR SCHEMATÓW ZASILANIA
SYSTEM PODSTAWOWY
Sieć
cieplna
Sieć
elektr.
Sieć
gazowa
Kotł.
lokalna
SYSTEMY ALTERNATYWNE
Kolekt.
Słon.
Podział
podst./
szczyt
PROCEDURY
Koszty
inwestycyjne
Koszty
eksploatacyjne
Kalkulator
taryf
Pompa
ciepła
TAK
PV
…….
CHP
…….
HYBRYDA ?
NIE
OBLICZENIA
Ekonomiczne
Emisja
OBLICZENIA
SZCZYT
OBLICZENIA
PODSTAWA
Ekonomiczne
Emisja
Ekonomiczne
Emisja
Emisja
Inne…
Biomasa
RAPORT
OBLICZENIA
Ekonomiczne
Emisja
Lista technologii i nośników energii
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
kolektory słoneczne cieczowe i powietrzne,
gruntowe pompy ciepła,
gruntowe wymienniki ciepła,
blokowe urządzenia do produkcji ciepła i energii elektrycznej
oparte na silnikach tłokowych i mikroturbinach,
silniki Stirlinga,
ogniwa paliwowe,
ogniwa fotowoltaiczne,
ciepło z miejskiej sieci ciepłowniczej,
ciepło z kotłowni lokalnej,
kombinacja ww. źródeł,
inne źródła.
Dostępność nośników energii
•
•
•
•
•
•
Infrastruktura komunalna
Plan zaopatrzenia w energię
Warunki przyłączenia – koszty
Lokalny rynek paliw
Warunki lokalowe – miejsce na źródło
Przestrzeń magazynowa
Charakterystyka energetyczna budynku – punkt wyjścia
Zapotrzebowanie na moc chłodniczą budynku, moc cieplna silnika gazowego oraz szczytowego źródła chłodu
podczas najcieplejszego tygodnia
120
Zapotrzebowanie na chłód do klimatyzacji
Zapotrzebowanie na chłód ze źródła szczytowego
Moc chłodnicza / cieplna [kW]
100
Moc cieplna silnika/turbiny
80
60
Chłód
40
Określanie zapotrzebowania na
energię, bilans energii, profile
użytkowania
20
166
161
156
151
146
141
136
131
126
121
116
111
96
106
91
101
86
81
76
71
66
61
56
51
46
41
36
31
26
21
6
16
11
1
0
Czas [h]
Zapotrzebowanie na moc elektryczną budynku podczas najcieplejszego tygodnia
120
Moc elektryczna generatora
Zapotrzebowanie na energię elektryczną budynku
Moc elektryczna pobierana (oddawana) z (do) sieci
100
Moc elektryczna napędu źródła szczytowego chłodu
Moc elektryczna [kW]
80
Energia
elektryczna
60
40
20
166
161
156
151
146
141
136
131
126
121
116
111
106
101
96
91
86
81
76
71
66
61
56
51
46
41
36
31
26
21
6
16
11
1
0
-20
Czas [h]
Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku, moc cieplna silnika gazowego i moc cieplna źródła szczytowego podczas
najzimniejszego tygodnia
90
Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania
80
Zapotrzebowanie na ciepło ze źródła szczytowego
Moc cieplna silnika/turbiny
70
Ciepło
50
40
30
20
10
Czas [h]
169
165
161
157
153
149
145
141
137
133
129
125
121
117
113
109
105
101
97
93
89
85
81
77
73
69
65
61
57
53
49
45
41
37
33
29
25
21
9
17
13
5
0
1
Moc cieplna [kW]
60
Narzedzia:
Metody bilansowe (OZC, RetScreen,.. )
Metody symulacyjne
(ESPr, DesignBuilder, Ecotect, Polysun
, GetSolar, … )
Kogeneracja
Wykresy zapotrzebowania na ciepło
– dobór konfiguracji źródła
Kocioł
szczytowy
Moduł 2
Zbiornik
buforowy
Moduł 1
Trigeneracja
Kocioł szczytowy
Zbiornik buforowy
Moduł 1
Obciążenie (kW, MWh) :
•
podstawowe
•
pośrednie
•
szczytowe
SYSTEM
REFERENCYJNY
SYSTEM
1 (obciążenie letnie)
78%
22%
Schematy źródeł zasilania budynków
Sieć
energe tyczna
Układ
rozliczeniowy
Odbiory en.
elektrycznej
Układ
odprowadzenia
ciepła
Źródło
Jednostka CHP
ciepła
Zasobnik
ciepła
ciepła
(opcja)
Odbiory
ciepła
TDC
Szczytowe
źródło ciepła
Chodziarka
sprężarkowa
Zasobnik
Zasobnik
chłodu
chłodu
(opcja)
Odbiory
chłodu
Sieć elektroenergetyczna
Chłodnia
wentylatorowa
Chłodnia
wentylatorowa
Chłodnia
wentylatorowa
Chłodziarka
absorpcyjna
Chłodziarki
sprężarkowe
Generator
energii
elektrycznej
≈
Silnik gazowy
Zasobnik
chłodu
Sieć gazowa
Schemat
zaawansowany trigeneracja
Zasobnik
ciepła
Kotły gazowe
szczytowe
Zimna
woda
Wymiennik
i zasobnik
c.w.u.
Wyrzutnia
powietrza
Instalacja
ogrzewcza
Instalacja
chłodnicza
Czerpnia
powietrza
Gruntowy
wymiennik
ciepła
Odzysk
ciepła
Centrala
klimatyzacyjna
Instalacja c.w.u.
Instalacja
elektryczna
Strefy budynku
Ii + KEi
LCC = ∑
i
i =0 (1+ r)
N
KRYTERIUM EKONOMICZNE
Koszt zaopatrzenia w energię
w cyklu życia
gdzie:
I
Nakłady i koszty
120
NI
100
KE
80
I, KE
nakłady inwestycyjne na system
zaopatrzenia w energię (z
uwzględnieniem robót
towarzyszących) [zł/rok];
KE roczny koszt bezpośredni
eksploatacji systemu
zaopatrzenia w energię
obejmujący koszty nośnika
energii lub paliwa wraz z
transportem oraz obowiązkowe
opłaty związane z eksploatacją
(przeglądy, konserwacje itp.)
[zł/rok];
r zewnętrzna stopa dyskonta;
N okres życia inwestycji [lata]
NI'
60
KE'
40
20
0
0
1
2
3
4
5
Lata
6
7
8
99
10
10
Koszt zaopatrzenia w energię w cyklu życia
W przypadku, gdy nakłady inwestycyjne ponoszone są w roku zerowym, zaś w
okresie eksploatacji koszty są stałe, wzór określający koszty w cyklu życia
N
przyjmuje postać:
KE
LCC = I + ∑
= I + KE * B
i
i =1 (1 + r )
– B
czynnik określający bieżącą wartość kosztów eksploatacyjnych w cyklu życia opisany
zależnością:
N
1
1
1
1
=
+
+
.....
+
(1 + r ) i 1 + r (1 + r ) 2
(1 + r ) N
(1)
1
1
1
1
=
+
+
.....
+
1 + r (1 + r ) 2 (1 + r ) 3
(1 + r ) N +1
(2)
B=∑
i =1
B*
Odejmując (2) od (1) otrzymujemy:
B*

1
1  1
−B=
− 1

N
1+ r
1 + r  (1 + r )

1
1 1 − (1 + r ) N
B*
(1 − 1 − r ) =
1+ r
1 + r (1 + r ) N
(1 + r ) N − 1
B=
r (1 + r ) N
1 − (1 + r ) N
− B*r =
(1 + r ) N
r - zewnętrzna stopa dyskonta –
można przyjąć np. średnie
oprocentowanie lokat 5%;
N - okres życia inwestycji [lata] –
należy przyjmować N = 15 lat
gdyż tyle wynosi średnia
żywotność źródła energii.
Dla tak przyjętych wartości
czynnik dyskontujący wynosi
B = 10,3797.
Kryterium ekologiczne
PRF (Primary Resource Factor)
Wskaźniki emisji CO2
dla systemów zaopatrzenia w ciepło
Obliczenia ekologicznych skutków oddziaływania systemów
energetycznych opierają się na wskaźniku nieodnawialnej
energii pierwotnej. Całkowita emisja CO2 zależy od
szczególnego wskaźnika przypisanego wykorzystywanym
paliwom. Wykorzystując poniższy wzór, można określić
wskaźniki emisji dla różnych technologii ogrzewania:
K = wi · Kf,del,i
gdzie:
– K
– wi
– Kf,del,i
wskaźnik emisji CO2 dla systemu
wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla systemu
szczególny wskaźnik CO2 dla danego paliwa
Wskaźnik nieodnawialnej energii pierwotnej dla
systemu ciepłowniczego
∑Q
wP , DH =
j
fuel , j
⋅ f P , fuel , j + ∑ Q fuel ,k ⋅ f P , fuel ,k + (WEl − WCHP ,net )⋅ f P , El
k
∑Q
DH ,i
Współczynniki emisji CO2 dla wybranych paliw wg KASHUE
Strumienie energii
Wartość opałowa
MJ/kg
23,08
8,57
40,19
3
35,98 MJ/m
3
24,85 MJ/m
47,31
Wsp. emisji CO2 1, 2)
kg/GJ
94,62
108,60
76,59
55,82
55,82
62,44
węgiel kamienny
węgiel brunatny
olej opałowy
gaz ziemny wysokometanowy
gaz ziemny zaazotowany
gaz płynny
biomasa (drewno opałowe i odpady
0,00
15,60
Paliwa/źródła energii pochodzenia drzewnego)
0,00
biogaz
50,40
pozostałe odnawialne źródła
0,00
3)
energii
140,14
odpady komunalne niebiogeniczne
10,00
0,00
odpady komunalne biogeniczne
11,60
odpady przemysłowe
140,14
nieodnawialne
1)
wsp. emisji przyjęte zgodnie z opracowaniem „Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku
2010 do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2013”,
KASHUE
2)
wsp. emisji odpowiadają wyłącznie podanej dla nich wartości opałowej
3)
zgodnie z definicją art. 3 pkt 20 ustawy Prawo Energetyczne (Dz. U. z 2006 r. Nr 89, poz. 625, z późn. zm.)
Obliczanie emisji
Emisję dwutlenku węgla określa się ze wzoru:
EE1 = ∑ (E f ,del ,i ⋅ wi ⋅ K f ,del ,i ) / 1000 + (Eel − Eel ,exp )⋅ wel ⋅ K el
i
gdzie:
E f ,del ,i energia dostarczona w i-tym paliwie lub cieple sieciowym do odbiorcy (wyłączając
wi
K f ,del ,i
ciepło z odzysku),
współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla i-tego paliwa
lub ciepła sieciowego dostarczonego do odbiorcy, przyjęty jak wyżej.
szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla i-tego paliwa dostarczonego
do odbiorcy, lub dla paliwa, z którego wytworzono ciepło sieciowe dostarczone do
odbiorcy, wg tabeli KASHUE.
GJ / rok
−
kgCO2 / GJ
Eel
energia elektryczna pobrana przez odbiorcę,
MWh / rok
Eel ,exp
energia elektryczna sprzedana przez odbiorcę
MWh / rok
wel
współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej
−
szczególny wskaźnik emisji dwutlenku węgla dla energii elektrycznej z sieci
K el
elektroenergetycznej, obliczany przez KOSZI/NFOŚiGW i podawany do stosowania MgCO2 / MWh
w danym roku
Dla paliw i ciepła zasilających odbiorców wskaźniki emisji CO2 przyjmuje się z Tabeli 12 i 13 opracowania
„Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) do raportowania w ramach Wspólnotowego Systemu
Handlu Uprawnieniami do Emisji”, które są do stosowania w danym roku rozliczeniowym, publikowane
przez Krajowego Administratora Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji. Powyżej, w tabeli podano wskaźniki
do stosowania w roku 2013.
Lektury uzupełniające do wykładu:
1. Wiszniewski A., Bonder L., Trząski A., Kwiatkowski J., Systemy zaopatrzenia w
energię w nowo wznoszonych budynkach, Warszawa : Fundacja Poszanowania
Energii, 2009.
2. Wiszniewski A., Trząski A. Analiza możliwości zastosowania alternatywnych
systemów zaopatrzenia w energię w nowo wznoszonych budynkach, Materiały
Budowlane. Technologie, Rynek, Wykonawstwo. nr (1) 2010.
3. Wiszniewski A., Bonder L. Wskaźnik energii pierwotnej dla ogrzewania
scentralizowanego, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr 7-8/2008
Warszawa : SIGMA-NOT, 2008.
4. Wiszniewski A., Bonder L. Wskaźniki nieodnawialnej energii pierwotnej oraz emisji
CO2 dla scentralizowanych i indywidualnych systemów zaopatrzenia w ciepło oraz
ogrzewania budynków Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2/2009
Warszawa : SIGMA-NOT, 2009.
Budynek biurowo - usługowy
STUDIUM PRZYPADKU
Charakterystyka energetyczna budynku
Analizowany budynek biurowo usługowy zlokalizowany jest w Gdańsku. Budynek
ten składa się z dwóch części i posiada 7/12 kondygnacji nadziemnych i 2
kondygnacje podziemne. Powierzchnia o regulowanej temperaturze budynku
wynosi 28 483,00 m2. Kubatura budynku wynosi 85 449,00 m3.
Wybór możliwych do zastosowania odnawialnych źródeł energii
Rozpatrywany budynek znajduje się w centrum miasta, w zabudowie zwartej. Ze względu na jego
położenie oraz warunki jakie spełnić musiałyby poszczególne systemy odnawialnych źródeł
energii w analizie nie uwzględniono następujących systemów:
– Elektrownie wodne
– Energia wód geotermalnych
– Wykorzystanie biomasy
– Pompa ciepła – brak terenu pod dolne źródło
Do analizy wybrano następuje systemy wykorzystujące odnawialne źródła energii oraz systemy
niskoemisyjne:
– Cieczowe kolektory słoneczne
– Panele fotowoltaiczne
– Elektrownie wiatrowe – wertykalne turbiny wiatrowe umieszczone na dachu
– Układ kogeneracyjny zasilany gazem
W analizie uwzględniono dwa systemy referencyjne:
– Kotłownia gazowa
– Centralna sieć ciepłownicza
Określenie wariantów zasilania w energię
System referencyjny 1 – system z kotłem gazowym jako źródłem ciepła dla instalacji ogrzewania
i przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz centralną siecią elektroenergetyczną jako
źródłem energii elektrycznej dla pozostałych systemów (chłodzenie, oświetlenie, napędy
elektryczne).
System referencyjny 2 – system z siecią ciepłowniczą jako źródłem ciepła tylko dla instalacji
ogrzewania oraz siecią elektroenergetyczną jako źródłem energii elektrycznej dla
pozostałych systemów (przygotowanie ciepłej wody użytkowej, oświetlenie, napędy).
System alternatywny 1 – zastosowano instalację kolektorów słonecznych do przygotowania
ciepłej wody użytkowej, kotły gazowe jako źródło ciepła dla instalacji ogrzewania oraz sieć
elektroenergetyczną jako źródło energii elektrycznej
System alternatywny 2 – zastosowano sieć ciepłowniczą jako źródło ciepła dla instalacji
ogrzewania, elektryczne podgrzewacze ciepłej wody użytkowej, instalację fotowoltaiczną
jak źródło energii elektrycznej oraz sieć elektroenergetyczną jako źródło energii
elektrycznej.
System alternatywny 3 – tym zastosowano sieć ciepłowniczą jako źródło ciepła dla instalacji
ogrzewania, elektryczne podgrzewacze ciepłej wody użytkowej, instalację turbin
wiatrowych jak źródło energii elektrycznej oraz sieć elektroenergetyczną jako źródło energii
elektrycznej.
System alternatywny 4 – tym zastosowano układ skojarzonego wytwarzania ciepła i energii
elektrycznej z zastosowaniem gazowego silnika tłokowego oraz kocioł gazowy i centralną
sieć elektroenergetyczną jako szczytowe źródła energii.
PODSTAWOWE PARAMETRY POSZCZEGÓLNYCH SYSTEMÓW
Nakłady i koszty eksploatacyjne
System referencyjny 1
Nakłady i koszty eksploatacyjne
System referencyjny 2
Nakłady i koszty
eksploatacyjne
System alternatywny 1
Nakłady i koszty
eksploatacyjne
System alternatywny 2
Nakłady i koszty
eksploatacyjne
System alternatywny 3
Nakłady i koszty
eksploatacyjne
System alternatywny 4
Podsumowanie
•
•
•
•
•
Na przedstawionych wykresach widać, iż zużycie energii pierwotnej oraz koszty w
całym cyklu życia instalacji nie różnią się znacznie dla poszczególnych systemów,
natomiast różnice widać dla rocznej emisji dwutlenku węgla.
W analizie pokazano, iż najlepszym rozwiązaniem pod względem ekologicznym i
ekonomicznym dla analizowanego budynku jest system z kogeneracją zasilaną
paliwem gazowym jako podstawowym źródłem energii elektrycznej i cieplnej.
Rozwiązania referencyjne charakteryzują się zbliżonym LCC (choć nieco wyższym)
niż system z CHP, lecz już roczne koszty operacyjne są już istotnie wyższe.
Istniejące systemy wsparcia na etapie eksploatacji „żółte” i „zielone” certyfikaty są
skuteczne jedynie w przypadku CHP, czyniąc ten wariant konkurencyjnym w
stosunku do rozwiązań referencyjnych.
W przypadku systemów PV oraz siłowni wiatrowych, „zielone” certyfikaty w tym
przypadku nie są wystarczającym wsparciem aby osiągnąć konkurencyjność tych
systemów.
Dziękuję za uwagę
[email protected]