To TYLKO informatyka

PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ
AGREGATU KOGENERACYJNEGO
Z
CIEPŁA
SPALIN
Autor: Stanisław Szwaja
("Rynek Energii" - grudzień 2014)
Słowa kluczowe: odzysk ciepła, parowy obieg Rankine’a, opłacalność inwestycji
Streszczenie. W artykule przedstawiono analizę termodynamiczną obiegu Rankine’a z turbiną kondensacyjną
pracującą na czynniku roboczym para-woda i opłacalność takiej inwestycji w przypadku zastosowania instalacji
do agregatu kogeneracyjnego. Przedstawiono bilans energijny całego obiegu oraz poszczególnych jego elementów. Potwierdzono celowość stosowania takiego sposobu odzysku ciepła i konwersji na energię elektryczną przy
założeniu utrzymania kosztów inwestycyjnych na niezbędnym minimum i dążenia do uzyskania maksimum
opłat ekologicznych w tym certyfikatów energetycznych.
1. WSTĘP
Kogeneracja energii elektrycznej i ciepła obecnie może być przy stosowaniu certyfikatów
energetycznych bardzo atrakcyjnym przedsięwzięciem pod względem jego dochodowości. W
Polsce wspieranie instalacji produkujących odnawialną energię składa się z trzech elementów:
 dotacji,
 preferencyjnych kredytów,
 dopłat do wyprodukowanej energii w formie tzw. certyfikatów energetycznych.
Dotacje i kredyty preferencyjne dotyczą przede wszystkim wsparcia w zakresie kosztów inwestycji i nie stanowią impulsu do rozwoju, jeśli koszty eksploatacji danego urządzenia okażą
się być za wysokie w porównaniu do przynoszonych zysków. Natomiast dopłaty w postaci
certyfikatów dotyczą kosztów eksploatacyjnych i z tego względu dopłaty te podnoszą atrakcyjność eksploatacji alternatywnych urządzeń wytwarzania energii przyczyniając się do ich
rozwoju. Certyfikaty są prawem majątkowym potwierdzającym pochodzenie wytworzonej
energii elektrycznej lub ciepła. Wydawaniem certyfikatów zajmuje się Prezes Urzędu Regulacji Energetyki (URE). Właściciel certyfikatu może go odsprzedać w transakcjach bezpośrednich lub poprzez Towarową Giełdę Energii. Cena certyfikatu ustalana jest jako kwota dopłaty
do 1 MWh energii elektrycznej wyprodukowanej przez właściciela danego urządzenia energetycznego. Najbardziej atrakcyjną formą dopłaty do wytwarzanej energii elektrycznej ze źródeł
odnawialnych jest certyfikat zielony. Należy się spodziewać, że jego cena nie będzie znacząco dobiegać od kwoty opłaty zastępczej ustalonej przez URE na poziomie 303 zł/MWh.
2. KONWERSJA CIEPŁA ODPADOWEGO NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ
Ciepło ze spalin można odzyskać poprzez wmontowanie wymienników spaliny-woda w kanale spalinowym. Takie rozwiązanie jest celowe w przypadku gdy występuje zapotrzebowanie
na ciepłą wodę użytkową lub na parę nasyconą o względnie niskiej wartości ciśnienia i temperatury do celów technologicznych. W przypadku prób wykorzystania ciepła odpadowego
spalin do produkcji energii elektrycznej należy dysponować ciepłem o relatywnie wysokiej
temperaturze. Potencjał energetyczny takiego ciepła wynika bezpośrednio z bilansu egzergetycznego. Można wstępnie określić opłacalność takiej inwestycji gdy temperatura tego ciepła
jest powyżej 500ºC, jak to ma miejsce w przypadku spalin tłokowego silnika stacjonarnego.
W takim przypadku można z powodzeniem stosować klasyczny obieg Rankine’a wykorzystujący wodę jako czynnik roboczy [2,5]. Barierą jest tutaj wysoka temperatura wrzenia wody w
warunkach normalnych, co uniemożliwia jakąkolwiek konwersję ciepła niskotemperaturowego na energię elektryczną. A zatem ciepło z płaszcza wodnego silnika okazuje się być zupełnie nieprzydatne. W takich przypadkach poszukuje się rozwiązań w kierunku zmiany czynnika roboczego. Zamiast wody stosuje się ciecze niskowrzące, które mogą skutecznie zastąpić
wodę [1,3,4].
W artykule przedstawiono analizę wykorzystania ciepła wysokotemperaturowego spalin silnikowych do wytwarzania energii elektrycznej w klasycznym obiegu Rankine’a. Analizę
przeprowadzono w oparciu o model analityczny, zaimplementowany w programie Ebsilon®Professional, służącym do analizy m.in. wodno-parowych obiegów termodynamicznych.
Podstawowymi elementami zamodelowanego obiegu są:
 kocioł odzysknicowy złożony z:
- podgrzewacza – ekonomizera,
- parownika,
- przegrzewacza pary,
 turbina,
 skraplacz,
 2 pompy obiegowe wody,
 zbiornik zasilający pełniący funkcję odgazowywacza (deaerator).
Dodatkowo model wyposażono w:
 zawór izentalpowo-dławiący,
 rozdzielacz pary do odgazowywacza,
 obieg wody chłodzącej skraplacz,
 obieg wodny, niskotemperaturowy do otrzymywania ciepłej wody użytkowej, zamontowany za ekonomizerem.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat modelu obliczeniowego z podanymi wartościami ciśnienia, entalpii, temperatury i wydatku masowego w poszczególnych punktach obiegu.
Dane wejściowe do obiegu są następujące:
 spaliny: wydatek masowy = 1,8kg/, temperatura = 550ºC (taką ilość spalin może emitować
w zależności od nastaw eksploatacyjnych biogazowy silnik spalinowy o mocy nominalnej
na poziomie 1,4 – 1,8 MW,
 obieg wody chłodzącej skraplacz: wydatek masowy = 4,9 kg/s i temperatura 25ºC dla wody dopływającej do skraplacza oraz 60ºC dla wody opuszczającej skraplacz,
 obieg c.w.u.: wydatek = 1 kg/s, temperatura wody wejściowej = 12ºC, temperatura wody
wyjściowej = 42ºC,
 główny obieg wodno-parowy:
- ciśnienie wejściowe do kotła = 18 bar, temperatura wody = 100ºC,
- ciśnienie przed turbiną = 16 bar, temperatura pary = 350ºC,
- stopień suchości pary za turbiną X = 0,958,
- ciśnienie za turbiną = 250mbar,
- temperatura za turbiną 65ºC,
- wydatek pary do aeratora = 6% wyd. z kotła,
- turbina: sprawność izentropowa = 0,8.
Rys. 1. Schemat zamodelowanej instalacji do konwersji ciepła odpadowego spalin silnikowych
Jak wspomniano, analizę numeryczną przeprowadzono przy wykorzystaniu programu Ebsilon®Professional. Jest to program dający możliwości swobodnego budowania obiegów termodynamicznych przy wykorzystaniu bogatej bazy wymienników oraz umożliwiający formowanie ich charakterystyk, co sprawia, że uzyskane obliczenia w praktyce odzwierciedlają
rzeczywisty stan termodynamiczny obiektu, oczywiście pod warunkiem jego prawidłowego
zamodelowania przez użytkownika.
W tabeli 1 przedstawiono składniki bilansu energijnego dla kompletnej instalacji z rysunku 1.
Tabela 1. Bilans energijny
Lp
1
2
3
4
5
6
7
8
Urządzenie
Pompa nr 1
Ekonomizer
Parownik
Przegrzewacz
Prądnica (cos  = 0,8)
z turbiną
Skraplacz
Pompa nr 2
c.w.u. ze spalin
Moc tracona/ oddana, kW
1
151
650
118
174
719
0,04
125
Jak wynika z bilansu energijnego, duża ilość ciepła niskotemperaturowego ze skraplacza na
poziomie ponad 700 kW nie może zostać efektywnie wykorzystana z powodu jego niskiej
temperatury nie przekraczającej 60ºC. Tym niemniej, jest ciepło na tyle atrakcyjne, że może
służyć do podgrzewu ciepłej wody użytkowej lub ogrzewania pomieszczeń przy założeniu,
ciągłego odbioru tej wody na poziomie niemalże 5 dm3/s. Ciepło pozyskane w tym samym
celu z podgrzewacza wody (wymiennik c.w.u. spaliny-woda) ma niższą temperaturę i mniejszy wydatek, a zatem nie stanowi atrakcyjnego zagospodarowania resztkowego ciepła spalin.
Tym bardziej, że może powodować wychładzanie się spalin do temperatury poniżej punktu
kondensacji pary, co wpływa na korozyjne zużycie wymiennika i postawi przed obsługą problem z kondensatem wodnym ze spalin silnikowych.
3. OPŁACALNOŚĆ INWESTYCJI
Instalacja obiegu Rankine’a dla mocy na poziomie kilkuset kW intuicyjnie wydaje się być
nieuzasadniona, ponieważ osiągana sprawność ogólna układu jest znacznie niższa od sprawności dużych systemów energetyki zawodowej. Dodatkowo, niski koszt paliwa (węgiel) również nie stanowi czynnika stymulującego rozwój takich niewielkich instalacji. Z drugiej strony, w przypadku konwersji na energię elektryczną ciepła odpadowego, „paliwo” jest darmowe. Ponadto istnieje finansowe wsparcie dla wdrażania wysokosprawnych technologii energetycznych. Zatem przeprowadzono uproszczoną analizę opłacalności przedsięwzięcia, mającą
wykazać jego pozytywne aspekty pod względem finansowym. W tabeli 2 przedstawiono
koszty inwestycyjne i eksploatacyjne dla ww. instalacji. W kosztach eksploatacyjnych
uwzględniono odpis amortyzacyjny przy założonym okresie eksploatacji równym 15 lat. Nie
uwzględniono obsługi kredytowej.
Tabela 2. Orientacyjne koszty dla instalacji
Lp
Koszty inwestycyjne*
1
2
3
4
5
6
7
8
Turbina kondensacyjna
Prądnica synchroniczna 170 kW, 1500 obr/min
Przekładnia 7000/1500 obr/min
Kocioł odzysknicowy (ekonomizer, parownik, przegrzewacz)
Skraplacz
Stacja uzdatniania wody
Zbiornik zasilający
Pozostałe: pompy, osprzęt sterujący dla turbiny, prądnicy,
kotła, chłodnica wody zas., montaż itp.
Suma
Roczne koszty eksploatacyjne
Okresowe przeglądy
Nadzór i obsługa bieżąca
Odpis amortyzacyjny
Suma
9
10
11
PLN
(netto)
450 000
120 000
30 000
600 000
80 000
20 000
20 000
300 000
1 620 000
25 000
80 000
108 000
213 000
* kwoty orientacyjne w oparciu o m.in. przegląd ofert dostawców i producentów z Chin i Indii, gdzie uwzględniono koszt transportu.
W tabeli 3 zamieszczono podstawowe dane dotyczące kwoty przychodów ze sprzedaży energii elektrycznej z instalacji przy uwzględnieniu wsparcia certyfikatem zielonym i bez tego
wsparcia.
Tabela 3. Przychód
Lp
1
2
3
4
5
6
6
Wielkość
Moc zainstalowana, kW
Roczny okres eksploatacji, h
Roczna ilość wyprodukowanej energii elektrycznej, MWh
Cena energii elektrycznej, zł/MWh
Cena certyfikatu zielonego, zł/MWh
Roczny przychód ze sprzedaży energii el. bez cert. zielonego, zł
Roczny przychód ze sprzedaży energii el. z cert. zielonym, zł
Ilość
170
8000
1360
180
240
244 800
571 200
W tabeli 4 przedstawiono czas zwrotu z inwestycji liczony w sposób prosty przy założeniu
inflacji na poziomie 0% dla 4 różnych wariantów obciążenia i wsparcia finansowego dla instalacji.
Tabela 4. Czas zwrotu z inwestycji
Lp Czas zwrotu z inwestycji
Czas
1 bez certyfikatu zielonego, z odpisem amortyzacyjnym 50 lat
11 miesięcy
2 bez certyfikatu zielonego, bez odpisu amortyzacyjnego 11 lat
10 miesięcy
3 z certyfikatem zielonym, z odpisem amortyzacyjnym 4 lata
5 miesięcy
4 z certyfikatem zielonym, bez odpisu amortyzacyjnego 3 lata
6 miesięcy
Jak można zauważyć najbardziej atrakcyjnie prezentuje się wariant 3 przy wsparciu certyfikatem zielonym oraz odpisem amortyzacyjnym na pełne odnowienie instalacji po 15 latach eksploatacji.
4. PODSUMOWANIE - WNIOSKI
Produkcja energii elektrycznej poprzez konwersję ciepła odpadowego odzyskiwanego ze spalin silnika spalinowego dużej mocy należy uznać za atrakcyjne przedsięwzięcie pod względem ekonomicznym i ekologicznym.
Instalacja odzysku ciepła i produkcji energii elektrycznej ze spalin silnika stacjonarnego dużej
mocy zbudowana w oparciu o klasyczny, parowo-wodny obieg Rankine’a może charakteryzować się czasem zwrotu z inwestycji na poziomie około 5 lat, przy założeniu, że przedsięwzięcie takie zostanie odpowiednio dofinansowane poprzez wsparcie finansowe za pomocą
zielonego certyfikatu energetycznego.
Podstawowym problemem natury technicznej jest chłodzenie skraplacza. Dla przedstawionej
instalacji należy zapewnić odbiór ciepła niskotemperaturowego w ilości około
700 … 750 kW. Zatem należy dysponować relatywnie dużym jak na warunki rozproszonej
kogeneracji dolnym źródłem ciepła, np. w postaci kilkunastu studni, dużego stawu lub niewielkiej rzeki.
Nie jest celowe stosowanie podgrzewacza c.w.u. instalowanego za ekonomizerem w kanale
spalinowym. Koszt inwestycyjny takiego wymiennika jest wyższy od wymiennika płytowego
typu woda-woda, który można zastosować w obiegu chłodzenia skraplacza.
Ilość ciepła możliwa do otrzymania jest znacząco mniejsza od tej, jaką można uzyskać ze
skraplacza.
Koszt inwestycji oceniono głównie na podstawie cen usług i dostaw z Dalekiego Wschodu,
jednakże wstępne rozeznanie krajowego potencjału wytwórczego pozwala optymistycznie
wyrokować odnośnie realizacji całości inwestycji przez polskich producentów.
Praca wykonana w ramach projektu PBS II nr 210698 pt. Utylizacja osadu pofermentacyjnego z biogazowni na potrzeby produkcji energii elektrycznej.
LITERATURA
[1] Bartela Ł., Brzęczek M.: Analysis of the use of cooling heat of compressed gas to supply
the Rankine cycle with a low-boiling medium, Rynek Energii 2014, nr 4(113).
[2] Cupiał K., Szwaja S.: The IC engine energetically combined with the steam turbine,
Combustion Engines 2011, No. 3/2011 (146), PTNSS-2011-SC-118.
[3] Mikielewicz D., Wajs J., Bajor M., Barcicka K.: Współpraca bloku gazowo – parowego z
obiegiem ORC, Rynek Energii 2014, nr 1(110).
[4] Srinivasan K.K., Mago P.J., Krishnan S.K.: Analysis of exhaust waste heat recovery from
a dual fuel low temperature combustion engine using an Organic Rankine Cycle, Energy
2010, 35, pp. 2387-2399.
[5] Talom H.T., Beyene A.: Heat recovery from automotive engine, Applied Thermal Engi-
neering, 2009, Vol. 29, 2-3, pp. 439-444.
POWER GENERATION FROM EXHAUST GASES FROM THE COGENERATION
SET
Key words: heat recovery, steam Rankine cycle, economical benefits
Summary. Both thermodynamic analysis of the steam Rankine cycle with a condensing turbine and economical
benefits coming from applying this system to a heat and power cogeneration set have been presented in the paper. Energy balance for the complete system as well as for particular devices has been calculated. Economical
profits from this business has been discussed and confirmed as the attractive venture under terms of minimum
investment costs and maximum financial support by ecological certificates.
Stanisław Szwaja, dr hab. inż., prof. PCz, zatrudniony na Wydziale Inżynierii Mechanicznej
i Informatyki Politechniki Częstochowskiej, e-mail: [email protected]