technologie, WSZYSTKO O ENERGII I ENERGETYCE, KOGENERACJA, KALINA
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Seminarium cykliczne „Elektroenergetyka w procesie przemian” -–
Generacja rozproszona
Janusz SKOREK, Jacek KALINA
Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej
Instytut Techniki Cieplnej,
Politechnika Śląska
TECHNOLOGIE I EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA GENERACJI
ROZPROSZONEJ W UKŁADACH GAZOWYCH
1 WPROWADZENIE
Wytwarzanie podstawowych nośników energii, a więc energii elektrycznej, ciepła i
zimna, opiera się ciągle głównie na procesach cieplnych z wykorzystaniem energii
chemicznej (lub jądrowej) paliw. Wyczerpywanie się zasobów paliw naturalnych oraz aspekty
ekologiczne związane z ich użytkowaniem powodują, że coraz większą uwagę poświęca się
problemom poprawy efektywności wykorzystania energii paliw pierwotnych. Równolegle
następuje rozwój energetyki opartej o odnawialne źródła energii.
Energetyka zawodowa i przemysłowa produkuje energię elektryczną i ciepło głównie w
układach cieplnych z wykorzystaniem paliw kopalnych, tzn.: węgla, paliw płynnych oraz
gazowych (głównie gazu ziemnego) oraz paliw jądrowych. Biorąc pod uwagę względy
techniczne i ekologiczne współczesne technologie energetyczne powinny spełniać
następujące podstawowe wymagania:
wysoka sprawność przetwarzania energii,
jak najmniejsze oddziaływanie na środowisko (emisje szkodliwych gazów, pyłów,
hałasu, zużycie wody i zrzut ścieków itp.),
korzystne wskaźniki opłacalności (krótkie czasy zwrotu nakładów inwestycyjnych,
duża wartość zysku).
Realizacja tych celów zależy w głównej mierze od dwóch, bezpośrednio ze sobą powiązanych
czynników:
rodzaju technologii produkcji energii elektrycznej i ciepła (tzn. układy rozdzielone lub
skojarzone),
rodzaju zastosowanego paliwa (stałe, ciekłe lub gazowe).
Energię elektryczną i ciepło można produkować w układach rozdzielonych (tzn. w
elektrowniach oraz ciepłowniach) i w układach skojarzonych (tzn. w elektrociepłowniach). Z
rodzajem stosowanego paliwa wiąże się nie tylko wielkość wskaźników emisji ale przede
wszystkim rodzaj zastosowanych układów energetycznych i układów oczyszczania spalin. W
związku z tym rodzaj stosowanego paliwa wpływa i na wielkość nakładów inwestycyjnych
jak i na koszt samego paliwa.
Jednym z podstawowych wskaźników określających efektywność energetyczną produkcji
energii elektrycznej i ciepła jest sprawność przetwarzania energii paliwa (sprawność
energetyczna układu). Z energetycznego, ekologicznego a zwłaszcza z ekonomicznego
punktu widzenia sprawność ta powinna być jak najwyższa. Im wyższa jest bowiem sprawność
procesu tym mniejsze jest zużycie paliwa, a tym samym niższe są koszty eksploatacyjne i
mniejsza jest całkowita emisja do otoczenia. Z drugiej jednak strony z podwyższaniem
sprawności wiążą się zazwyczaj podwyższone nakłady inwestycyjne na nowoczesne,
wysokosprawne urządzenia.
•
•
•
Prof. nzw. dr hab. inż. Janusz Skorek, tel.: (032) 237 – 24 –27; e-mail:
skorek@itc.ise.polsl.gliwice.pl
Dr inż Jacek Kalina, tel.: (032) 237 – 29 –89; e-mail: kalina@itc.ise.polsl.gliwice.pl
•
•
Seminarium cykliczne „Elektroenergetyka w procesie przemian” -–
Generacja rozproszona
Efektywność wykorzystania energii paliwa (sprawność energetyczna) ma szczególne
znaczenie w przypadku wytwarzania energii elektrycznej, bowiem wytwarzanie ciepła z
wysoką sprawnością (przekraczającą 90%) nie stanowi obecnie żadnego problemu
technicznego. W przypadku silników cieplnych (elektrowni parowych, turbin gazowych,
silników spalinowych) sprawność wytwarzania energii elektrycznej jest jednak daleko niższa
niż sprawność wytwarzania ciepła. Sprawność elektrowni parowych osiąga około 46 %.
Sprawność nowoczesnych siłowni z turbinami gazowymi przewyższa 40 % a siłowni z
silnikami spalinowych dochodzi do 48 %. Ta w sumie jednak niezbyt wysoka sprawność nie
wynika z niedoskonałości technicznej silników i siłowni lecz z ograniczeń
termodynamicznych. Ograniczenie sprawności wytwarzania energii jest powodem dla którego
jednym z najbardziej efektywnych termodynamicznie (i ekonomicznie) sposobów
wykorzystania energii chemicznej paliw jest skojarzona produkcja ciepła i energii
elektrycznej w elektrociepłowniach.
Świadomość celowości budowy układów skojarzonych jest obecnie dość powszechna. W
krajach Unii europejskiej planuje się, że w roku 2010 średni udział energii elektrycznej
wytwarzanej w skojarzeniu (głównie w układach zasilanych paliwami gazowymi gazowych)
osiągnie poziom 32%, chociaż w poszczególnych krajach UE poziom ten jest dość
zróżnicowany.
Do niedawna jeszcze zdecydowaną większość budowanych elektrociepłowni
komunalnych i przemysłowych stanowiły klasyczne układy parowe zasilane paliwami stałymi
(bądź rzadziej ciekłymi) o średnich i duzych mocach. Zużycie gazu ziemnego w tym sektorze
energetyki było marginalne. Ze względu na dużą złożoność układu (analogiczną do
elektrowni parowej) budowa zawodowych elektrociepłowni parowych jest zazwyczaj
opłacalna dla stosunkowo dużych mocy, tzn. powyżej kilkudziesięciu MW mocy cieplnej.
Elektrociepłownie komunalne są wyposażane w turbiny parowe upustowo–kondensacyjne.
Rozwiązanie takie umożliwia regulację mocy cieplnej w bardzo szerokim zakresie, co jest
konieczne z uwagi na duże sezonowe różnice w zapotrzebowaniu na ciepło grzejne. Praca w
tzw. trybie kondensacyjnym (np. w sezonie letnim) wiąże się jednak z mniejszym
wykorzystaniem energii chemicznej paliwa, bowiem zwiększa się ilość ciepła oddawanego do
otoczenia w skraplaczu. Z drugiej jednak strony wzrasta w takim przypadku moc elektryczna
układu. Lepsze wykorzystanie energii chemicznej paliwa (oraz lepsze wskaźniki
opłacalności) osiąga się w elektrociepłowniach z turbinami parowymi przeciwprężnymi (lub
upustowo-przeciwprężnymi). Takie układy mogą być jednak instalowane wyłącznie tam,
gdzie istnieje stałe zapotrzebowanie na ciepło. Stąd też tego typu bloki znajdują najczęściej
zastosowanie w warunkach przemysłowych dostarczając np. parę wodną do celów
technologicznych. jak ma to często miejsce w przypadku zakładów przemysłowych.
W Polsce elektrociepłownie parowe są opalane najczęściej węglem kamiennym. Z uwagi
na fakt, że znacząca większość elektrociepłowni krajowych nie jest wyposażona w układy
pełnego oczyszczania spalin (w większości przypadków są to wyłącznie układy odpylania),
stanowią one poważne źródło szkodliwych dla środowiska emisji. Zmiany technologiczne
mogą być jednak wymuszane ostrzejszymi przepisami dotyczącymi ochrony środowiska,
choć trudno przesądzać jaki typ modernizacji może okazać się najbardziej uzasadniony
ekonomicznie (np. budowa wydajnych instalacji odsiarczania i odpylania, instalacja kotłów
fluidalnych lub przebudowa układu parowego na gazowo – parowy zasilany paliwem
gazowym).
W rozwiniętych krajach świata zdecydowana zmiana technologiczna nastąpiła kilkanaście
lat temu, kiedy to na masową skalę zaczęto budować małe siłownie i elektrociepłownie
zasilane gazem ziemnym i innymi paliwami gazowymi. Wśród większych układów
Seminarium cykliczne „Elektroenergetyka w procesie przemian” -–
Generacja rozproszona
(dla pojedynczych jednostek) Liczba
pracujących układów CHP jest już bardzo duża zarówno pod względem liczby jednostek jak i
zainstalowanych mocy. Tylko w 1999 roku zainstalowano na świecie około 5200 układów
skojarzonych z tłokowymi silnikami spalinowymi i ponad 820 układów z turbinami
gazowymi o łącznej mocy około 10 000 MW. Pod koniec roku 1999 łączna moc
zainstalowana w małych układach CHP przekraczała na świecie 64 000. W Europie najwięcej
układów CHP pracuje w Niemczech, Wielkiej Brytanii i we Włoszech.
W ostatnich latach obserwuje się rosnące zainteresowanie budową układów CHP
zintegrowanych z ogniwami paliwowymi. Osiągane są coraz większe sprawności
wytwarzania energii elektrycznej (rzędu 45 %), a w układach hybrydowych, tzn. połączonych
z turbinami gazowymi osiągane są sprawności elektryczne rzędu 55 % (a w niedalekiej
perspektywie oczekuje się osiągniecie poziomu 70 %).
W chwili obecnej do podstawowych układów siłowni i elektrociepłowni (układy CHP)
małych mocy zalicza się:
- siłownie i elektrociepłownie (tzw. układy CHP) z silnikami spalinowymi,
- siłownie i elektrociepłownie z turbinami i mikroturbinami gazowymi
- siłownie i elektrociepłownie z ogniwami paliwowymi oraz układy hybrydowe z
ogniwami paliwowymi i turbinami gazowymi lub mikroturbinami gazowymi,
- małe elektrociepłownie gazowo – parowe,
- małe elektrociepłownie gazowo – parowe dwupaliwowe (np. węglowo – gazowe)
powstałe najczęściej poprzez modernizację elektrociepłowni węglowych parowych w
wyniku ich nadbudowy turbiną gazową,
Małe układy energetyczne są zasilane przede wszystkim paliwami gazowymi, przez co stały
się one znacznie bardziej przyjazne dla środowiska aniżeli układy zasilane paliwami stałymi
lub ciekłymi. Podstawowym paliwem gazowym jest gaz ziemny. Na coraz szerszą skalę
wykorzystuje się również inne paliwa gazowe, a wśród nich:
gaz ziemny zaazotowany,
biogazy a w tym:
-
gaz z fermentacji biologicznej (np. z oczyszczalni ścieków),
-
gaz wysypiskowy,
-
gaz ze zgazowania biomasy (lub innych paliw stałych),
gaz z odmetanowania kopalń,
gaz koksowniczy,
gazy odpadowe z procesów chemicznych.
Za stosowaniem małych układów energetycznych przemawia wiele przesłanek, wśród których
do najważniejszych można zaliczyć:
- optymalne dopasowanie układu do potrzeb indywidualnego odbiorcy,
•
•
•
•
•
dominującą role odgrywają elektrociepłownie gazowo – parowe (często budowane również
jako układy dwupaliwowe: gazowo – węglowe).
Ostatniej dekadzie dwudziestego wieku towarzyszył burzliwy rozwój układów
skojarzonych małej i średniej mocy budowanych na bazie tłokowych silników spalinowych i
turbin gazowych zasilanych paliwami gazowymi (tzw. układy CHP - Combined Heat and
Power). Wcześniej urządzenie te były instalowane prawie wyłącznie jako siłownie szczytowe
lub układy zasilania awaryjnego Pojawienie się układów CHP małej mocy umożliwiło
budowę elektrociepłowni dopasowanych bardzo precyzyjnie do potrzeb najmniejszych nawet
odbiorców i stało się niewątpliwie punktem przełomowym w urynkowieniu całego sektora
elektroenergetycznego. Układy CHP znajdują szerokie zastosowanie zarówno w gospodarce
komunalnej jak i (a może zwłaszcza) w przemyśle. Moce elektryczne zawierają się w
przedziale od kilkudziesięciu kW
el
do kilkunastu MW
el
Seminarium cykliczne „Elektroenergetyka w procesie przemian” -–
Generacja rozproszona
- wysokie sprawności energetyczne urządzeń i bardzo małe wskaźniki emisji,
- postęp techniczny w budowie turbin gazowych, zasilanych gazem tłokowych silników
spalinowych oraz ogniw paliwowych połączony ze wzrastającą podażą tych urządzeń
na rynku,
- możliwość spalania gazów niskometanowych,
- małe rozmiary elektrociepłowni i praktycznie bezobsługowa eksploatacja,
- konkurencja na rynku paliw i energii oraz rozwój lokalnych rynków nośników energii,
- odpowiednia polityka energetyczna zachęcająca do inwestowania w układy małej
mocy a zwłaszcza układy kogeneracyjne,
- korzystne wskaźniki ekonomiczne dla inwestycji a przede wszystkim krótkie okresy
zwrotu nakładów (nawet poniżej 3 lat).
Małe układy kogeneracyjne mogą pracować bezpośrednio na potrzeby obiektu w którym
zostały zainstalowane, bądź jako elektrociepłownie zawodowe. Energia elektryczna genero-
wana w skojarzeniu może być w całości zużyta w obiekcie, jak też w całości lub w części
sprzedana do sieci lub innym odbiorcom. Dodatkowymi cechami wyróżniającymi mały układ
skojarzony jest jego zwarta budowa, pozwalająca zazwyczaj na dostarczenie kompletnego
urządzenia gotowego do instalacji i uruchomienia. Coraz częściej spotyka się tzw. układy
trójgeneracyjne, tzn. wytwarzające oprócz energii elektrycznej i ciepła również trzeci nośnik,
tzn. zimno do celów technologicznych lub klimatyzacyjnych.
W przypadku małych układów skojarzonych dużo mniejsze są również koszty
inwestycyjne, co ułatwia pozyskanie funduszy na budowę układu. Nie bez znaczenia jest
bardzo mały obszar terenu potrzebny do budowy układu.
Najczęstszymi użytkownikami układów skojarzonych są zakłady przemysłowe
(spożywcze, piwowarskie, papiernicze, chemiczne, kopalnie itd.), oczyszczalnie ścieków i
składowiska odpadów, szpitale i ośrodki edukacyjne (szkoły, uniwersytety), obiekty sportowe
(sale, baseny itp.), lotniska, dworce kolejowe, hotele, biurowce, duże obiekty handlowe
obiekty użyteczności publicznej, szklarnie i wiele innych.
Najistotniejszym czynnikiem stymulującym rozwój małych układów kogeneracyjnych są
w wielu krajach przede wszystkim bardzo korzystne wskaźniki ekonomiczne dla tego typu
instalacji. Typowe okresy zwrotu nakładów inwestycyjnych na układy CHP wynoszą w
krajach Unii Europejskiej od 2 do 5 lat, co jest wielkością bardzo atrakcyjną jak dla
energetyki. Warto tu również podkreślić, że małe rozproszone układy CHP nie stanowią
konkurencji dla energetyki zawodowej, lecz przeciwnie, stają się bardzo pożądanym
uzupełnieniem systemu elektroenergetycznego zwiększając elastyczność jego pracy. Na
przykład w zastosowaniach przemysłowych małe układy mogą pracować w celu pokrycia
zapotrzebowania na energię elektryczna dla procesu technologicznego pełniąc w istocie rolę
źródła szczytowego. Dzięki korzystnym wskaźnikom efektywności ekonomicznej możliwe jest
uzyskanie krótkich czasów zwrotu nakładów inwestycyjnych pomimo np. stosunkowo małej
liczby godzin pracy w roku.
Wszystkie wymienione przesłanki przemawiają za rozwojem układów energetycznych małej
mocy. Należy jednak podkreślić, że o podjęciu ostatecznej decyzji inwestycyjnej i o wyborze
konkretnej konfiguracji układu musi zdecydować rachunek ekonomiczny.
W Polsce, choć z dużym opóźnieniem, wyraźnie zwiększa się zainteresowanie małymi
układami skojarzonymi. Zainteresowanie to wynika z kilku powodów. Prognozy wskazują na
to, że w najbliższych nastąpi w Polsce zwiększenie podaży gazu ziemnego. Szacuje się, że za
10 lat udział gazu ziemnego może osiągnąć osiągnie poziom 30% zużywanych paliw
pierwotnych. (np. w 1996 roku w krajach Unii Europejskiej stosunek zużycia gazu ziemnego
do węgla wyrażony w energii chemicznej paliwa wynosił 1,33 podczas gdy w Polsce tylko
0,13). Coraz silniejsza jest też świadomość pozytywnych aspektów ekologicznych stosowania
Seminarium cykliczne „Elektroenergetyka w procesie przemian” -–
Generacja rozproszona
paliw gazowych. Liczba zainstalowanych obecnie w Polsce układów CHP nie jest jeszcze
zbyt duża. W 2001 roku nie przekraczała 70 jednostek, w dużej mierze zasilanych gazami
niskokalorycznymi (np. gaz z odmetanowania kopalń, biogaz, gaz wysypiskowy). Oprócz
budowy małych układów gazowych w Polsce zrealizowane są projekty elektrociepłowni
gazowych średniej skali: modernizacja EC Gorzów z turbiną gazową ABB GT8C o mocy
około 53 MW oraz EC Nowa Sarzyna z dwiema turbinami gazowymi PG 6551 o mocy około
39 MW każda. Obecnie trwa proces inwestycyjny w EC Wrotków, a w planach jest
przebudowa kilku dalszych elektrociepłowni węglowych (np. EC Zielona Góra, EC
Rzeszów). Biorąc jednak pod uwagę doświadczenia innych krajów można liczyć się ze
znaczącym przyrostem liczby nowo budowanych układów, a co za tym idzie ze znaczącym
przyrostem zużycia gazu ziemnego oraz innych paliw gazowych do celów czysto
energetycznych.
Kolejną z ważniejszych przesłanek przemawiających za budową układów skojarzonych
zasilanych gazem jest zmieniająca się w Polsce struktura cen energii elektrycznej, ciepła i gazu
ziemnego. Obecny poziom cen na podstawowe nośniki energii (a przede wszystkim węgla, gazu
ziemnego i energii elektrycznej) i ich struktura jest niekorzystna w aspekcie rozwoju małej
energetyki opartej na paliwach gazowych. Należy jednak oczekiwać, że już w najbliższym czasie
nastąpi proces uwalniania cen na nośniki energii i dostosowywania ich do cen światowych co
powinno zwiększyć atrakcyjność inwestycji w układy CHP.
2 PRZEGLĄD PODSTAWOWYCH TECHNOLOGII MAŁYCH CIEPLNYCH
UKŁADÓW ENERGETYCZNYCH I KOGENERACYJNYCH
2.1 Układy z silnikami tłokowymi
Tłokowe silniki spalinowe stanowią najczęściej stosowane urządzenia w układach
siłowni i elektrociepłowni małej mocy, co między innymi wynika z ich wysokiej sprawności
(nawet w zakresie małych mocy), oraz ze stosunkowo niskich wskaźników jednostkowego
nakładu inwestycyjnego. Układy CHP z tłokowymi silnikami gazowymi są stosowane
najczęściej do produkcji gorącej wody, (chociaż spotyka się rozwiązania w których
wytwarzana jest para wodna). W przypadku silnika ciepło odzyskuje się na kilku różnych
poziomach temperatury. Najczęściej więc silniki gazowe instalowane są w systemach
grzewczych współpracujących z siecią cieplną niskotemperaturową (np. 110/70
0
C lub 90/50
0
C). W celu umożliwienia produkcji energii elektrycznej w sytuacjach gdy brak jest
zapotrzebowania na ciepło, układ wyposaża się w rezerwowe (najczęściej wentylatorowe)
chłodnice cieczy chłodzącej, oleju smarnego oraz powietrza za turbosprężarką (rysunek 1).
W układzie prostym CHP z silnikiem tłokowym wytwarzana jest energia elektryczna oraz
nośnik ciepła w postaci gorącej wody. Układ taki jest najczęściej przeznaczony do pracy jako
klasyczna elektrociepłownia komunalna lecz o małej mocy. W praktyce spotyka się szeroką
gamę innych zastosowań i konfiguracji układów. Jednym z ciekawszych zastosowań jest
wykorzystanie spalin bezpośrednio w procesie technologicznym np. do celów suszarniczych
(zakłady papiernicze, produkcja materiałów ceramicznych, przemysł spożywczy, itp.).
Technologia ta jest również coraz częściej wykorzystywana w rolnictwie i ogrodnictwie.
Zaletą takiego rozwiązania jest bardzo wysoki stopień wykorzystania entalpii spalin
wylotowych z silnika. Schemat przykładowej instalacji z bezpośrednim wykorzystaniem
spalin w procesie suszenia wyrobów papierniczych przedstawiono na rysunku 2.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]