Kogeneracja i trigeneracja w budynkach

Wstęp

Zastosowanie układów poligeneracyjnych w budynkach (kogeneracja i tri generacja rozproszona) w stosunku do rozdzielnego wytwarzania ciepła, energii elektrycznej i chłodu przynosi następujące wymierne korzyści:

Podniesienie efektywności wytwarzania energii Oszczędność paliw pierwotnych
Poprawa bezpieczeństwa energetycznego
Ograniczenie emisji do atmosfery - poprawa jako ci powietrza oraz przeciwdziałanie zmianom klimatu
Zmniejszenie uciążliwości spowodowanych obecnością dużych przedsiębiorstw energetycznych
Ograniczenie strat przesyłowych
Ograniczenie kosztów rozbudowy oraz eksploatacji sieci ciepłowniczej
Zwiększenie niezawodności zasilania
Możliwość wykorzystania lokalnych zasobów energetycznych
Możliwość łatwego i taniego zbilansowania sieci w okresie największych obciążeń

Zastosowanie systemów kogeneracyjnych w budynkach uwarunkowane jest stałym zapotrzebowaniem na ciepło - aby uzyska wysoką sprawność układów kogeneracyjnych należy wymiarowa je ze względu na zapotrzebowanie na ciepło. Dodatkową możliwość zwiększenia efektywności układów kogeneracyjnych w budynkach można uzyska poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego z kogeneracji do produkcji chłodu w urządzeniach absorpcyjnych - układy trigeneracji.

Otoczenie prawne

Polityka energetyczna Unii Europejskiej skierowana na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Jednym z głównych elementów tej polityki jest zwiększenie efektywno ci energetycznej miedzy innymi poprzez promowanie skojarzonego wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Zastosowanie tri-generacji zwiększa efektywno wykorzystania układów kogeneracyjnych, a ponadto wytwarzanie chłodu nie wymaga stosowania czynników chłodniczych niszczących warstwę ozonową.

Europejskie regulacje prawne:

Dyrektywa 2004/08/EC w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii - okre la ramy wspierania tej technologii przez państwa członkowskie. Wytyczne te pozwalają na osiągnięcie wymiernych korzyci w związku z upowszechnieniem CHP w miejskich systemach ciepłowniczych
Dyrektywa 2002/91/EC w sprawie charakterystyki energetycznej budynków -Artykuł 5 (obowiązek promocji alternatywnych ródeł energii) i Artykuł 9 (obowiązkowe kontrole systemów klimatyzacji)
Rozporządzenie (WE) nr 842/2006 w sprawie niektórych fluorowanych gazów cieplarnianych - Nie dotyczy ono zakazu wykorzystania fluorowanych gazów cieplarnianych, lecz emisja powinna zosta skutecznie ograniczona poprzez zaostrzenie wymagań w stosunku do instalacji, kontroli i konserwacji urządzeń chłodniczych, jak również za pomocą szkoleń i certyfikacji personelu i przedsiębiorstw związanych z działalnością przewidzianą w rozporządzeniu
Dyrektywa 2006/32/EC w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych - Artykuł 14 nakłada na Państwa Członkowskie obowiązek przekazania, do dnia 30 czerwca 2007 roku, pierwszego planu działań dotyczącego efektywno ci energetycznej
Zielona Księga "Ku Europejskiej strategii bezpieczeństwa energetycznego" COM 2000 (769) final - Unia Europejska jest niezwykle uzależniona od dostawców zewnętrznych. Obecnie import stanowi około 50% zapotrzebowania, a warto ta wzro nie do około 70% w roku 2030, przy jeszcze większym uzależnieniu od ropy i gazu, jeli obecne trendy się utrzymają.
Raport na temat Zielonej Księgi pt.: „Europejska strategia na rzecz zapewnienia podaży energii." - COM 2002 (321)
Strategia promocji skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej (CHP) i zlikwidowania barier jego rozwoju - COM (97) 514 final

Zestaw norm CEN wspomagających wdrożenie Dyrektywy EPBD

Polskie regulacje prawne niestety ograniczają się jedynie do prób transpozycji obowiązujących dyrektyw europejskim, nie zawsze z dobrym skutkiem. Poniżej podano niektóre akty prawne mające decydujący wpływ na rozwój rynku poligeneracji w Polsce

Prawo Energetyczne - ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 (Dz. U. 97.54.348),
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 wrze nia 2007 r. w sprawie sposobu obliczania danych podanych we wniosku o wydanie wiadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych wiadectw, uiszczania opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzania danych dotyczących iloci energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji (Dz. U. 07.175.1314);.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemów ciepłowniczych (Dz. U. 07.16.92);
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemów ciepłowniczych (Dz. U. 07.16.92);
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 3 listopada 2006 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia wiadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych ródłach energii (Dz. U. 06.205.1510);
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 9 pa dziernika 2006 r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania taryf oraz rozliczeń z tytułu zaopatrzenia w ciepło (Dz. U. 06.193.1423),
Prawo Budowlane - ustawa z dnia 19 Wrze nia 2007 o zmianie ustawy - Prawo budowlane (Dz. U. 07.156.1118) z pó niejszymi zmianami,
Ustawa z dnia 18 grudnia 1998 r. o wspieraniu przedsięwzięć termomoderniza-cyjnych (Dz. U. 98.162.1121) z pó niejszymi zamianami
Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz. U. 03.163.1584);
Istotny bodziec dla rozwoju Kogeneracji rozproszonej będzie miała nowelizacji ustawy Prawo energetyczne z dnia 6.01.2010 roku.

Aktualny stan technologii

Systemy kogeneracyjne (trigeneracyjne) znajdują obecnie powszechne zastosowanie w dużych obiektach w zakresie rednich (>100kWe) oraz dużych mocy (>1000 kWe) Coraz bardziej powszechne stają się też jednak ostatnio małe systemy kogeneracyjne (<100 kWe) Wiele europejskich firm rozpoczęło produkcję chłodziarek absorpcyjnych małej mocy (od kilku do 30 kW) Logiczne wydaje się więc połączenie małych jednostek kogeneracyjnych z małymi chłodziarkami absorpcyjnymi Systemy mikrotrigeneracji mogłyby znale powszechne zastosowanie w sektorze komunalnym

Małe systemy kogeneracyjne z silnikami tłokowymi

Silnik tłokowy, to maszyna cieplna napędzana pracą tłoków w cylindrach. W komorze spalania zachodzi szybkie spalanie, bądź utlenienie mieszanki paliwa z powietrzem, w wyniku czego powstają spaliny o wysokiej temperaturze i pod wysokim ci nieniem. Rozprężające się gazy spalinowe poruszają tłok w cylindrze w wyniku czego powstaje praca mechaniczna powodująca obrót wału zintegrowanego z generatorem prądu. Ciepło w silniku tłokowym jest odbierane z obiegu chłodzenia i smarowania silnika oraz ze spalin. Silniki tłokowe można podzieli na silniki parowe oraz spalinowe, przy czym niniejsze opracowanie dotyczy jedynie silników spalinowych. W ród silników spalinowych można wyróżnić: silniki wysokoprężne oraz silniki o zapłonie iskrowym. Silniki spalinowe to najczęściej wykorzystywane w energetyce rozproszonej moduły kogeneracyjne. Charakteryzują się sprawnością elektryczną w granicach od 27% (małe urządzenia) do 40% (urządzenia duże). Silniki wysokoprężne pracują w cyklu Diesel'a. Charakteryzują się nieco wyższą sprawnością elektryczną niż silniki z zapłonem iskrowym. Ponadto umożliwiają wykorzystanie paliwa o różnych parametrach jako ciowych. Silniki z zapłonem iskrowym pracują w cyklu Otto. Charakteryzują się stosunkowo niską sprawnością elektryczną oraz krótkim okresem pracy przy niskich kosztach inwestycyjnych.

Małe systemy kogeneracyjne z mikroturbinami gazowymi

Turbina gazowa jest silnikiem cieplnym, który energię napędową pobiera z przepływających spalin. Turbina gazowa składa się ze sprężarki, komory spalania oraz wirnika obracającego się na wale zintegrowanym z generatorem prądu. Turbina gazowa pracuje w cyklu otwartym opisywanym cyklem Braytona. Sprężone powietrze jest mieszane z paliwem, następnie w komorze spalania następuje zapłon. Spaliny są rozprężane do cinienia atmosferycznego na wirniku turbiny, powodując obracanie się wału i w konsekwencji produkcję energii elektrycznej za pomocą generatora prądu. Elementy turbiny są chłodzone za pomocą obiegu chłodzenia. W celu odzyskania ciepła z rozprężonych spalin stosowane są często dodatkowe wymienniki ciepła. Odzyskane ciepło może by częściowo wykorzystane do wstępnego podgrzania sprężanego powietrza w celu podniesienia efektywno ci procesu. Mikroturbiny - turbiny gazowe o mocy elektrycznej od 30 kW do 350 kW. Sprawno elektryczna turbiny wynosi 28-35%. Turbiny charakteryzują się wysoką niezawodnością z uwagi na niewielką liczbę ruchomych części oraz niewielkimi rozmiarami w stosunku do uzyskiwanej mocy. Wadą turbin jest niska sprawno przy częściowym obciążeniu. W chwili obecnej jedynie kilku producentów oferuje układy o mocy elektrycznej poniżej 100 kWel - jeden o mocy 30 kWel

Małe systemy kogeneracyjne z silnikami Stirlinga

Silnik Stirlinga, to silnik tłokowy cieplny, który przetwarza energię cieplną w pracę mechaniczną, jednak bez procesu spalania paliwa. Ciepło jest dostarczane przez ródło zewnętrzne. Silnik Stirlinga wymaga ródła oraz upustu ciepła o odpowiednio dużej różnicy temperatur. Źródłem ciepła może by proces spalania, ciepło odpadowe, energia słoneczna, etc. Upustem ciepła jest otoczenie. Ciepło odprowadzane z silnika Stirlinga może by wykorzystywane na potrzeby ogrzewania, suszenia, etc. Zaletą silnika Stirlinga jest możliwość wykorzystania każdego rodzaju ciepła oraz jego niewrażliwość na jako paliwa. Sprawno elektryczna wynosi 24-28%. Praca silnika nie powoduje hałasu. Na obecnym etapie technologia jest ciągle rozwijana, dlatego jej niezawodno jest bardzo ograniczona. Na rynku dostępnych jest jedynie kilka (5 -6typów urządzeń.

Małe systemy kogeneracyjne z ogniwami paliwowymi

Ogniwo paliwowe to ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa (od strony anody) oraz utleniacza (od strony katody), które reagują w obecnoci elektrolitu. Większość ogniw wykorzystuje wodór na katodzie oraz tlen na anodzie. Istnieje szereg typów ogniw paliwowych, z czego najpopularniejsze w kogeneracji są ogniwa typu PEMFC oraz SOFC. Ogniwa paliwowe osiągają bardzo wysoką sprawno elektryczną rzędu 50%, przy bardzo niskim poziomie emisji. Wadą tych urządzeń jest duża wrażliwość na zanieczyszczenia paliwa wiążąca się z koniecznością jego kosztownego uzdatniania. Na obecnym etapie ogniwa paliwowe charakteryzują się bardzo wysokim kosztem inwestycyjnym oraz eksploatacyjnym, związanym z ich awaryjnością. Nadal nie są dostępne układy produkowane seryjni

Małe systemy kogeneracyjne z układami ORC (Organic Rankine Cyc-le)

Systemy kogeneracyjne oparte na procesie ORC działeja na tej samej zasodzie co klasyczne obiegi parowe. Różnica polega na zastosowaniu innego czynnika roboczego, którym zamiast pary wodnej jest czynnik organiczny (węglowodory, czynniki chłodnicze lub olej silikonowy) charakteryzujące się niższą temperaturą parowania. Zaleta tego procesu jest możliwość wykorzystania niskotemperaturowych ródeł energii, wadą za ograniczenie sprawno ci i wydajno ci procesu ze względu na ograniczenie maksymalnej temperatury procesu. Jako maszyny robocze mogą by używane turbiny osiowe lub od rodkowe, silniki rubowe i tłokowe oraz rozprężacze spiralne. Na rynku pojawił się produkt brytyjskiej firmy Enenergetix Group pod nazwą „Genlec", o mocy elektrycznej 1 kWel oraz 8 kWth Charakteryzujący się niską wagą, niskimi kosztami eksploatacji, przystosowany do wieszania na cianie.

Chłodziarki zasilane ciepłem małej mocy - absorpcyjne

Chłodziarki absorpcyjne działają na zasadzie krążenia czynnika chłodniczego między absorberem (w którym czynnik jest pochłaniany) a desorberem (w chłodziarce tę funkcję spełnia warnik, w którym czynnik wydziela się z roztworu). W urządzeniach tych wykorzystuje się własno ci fizyczne roztworów dwuskładnikowych. Para czynnika chłodniczego odpływa z parownika, gdyż jest pochłaniana przez ciekły roztwór roboczy wypełniający absorber. Źródłem energii jest ciepło dostarczane do warnika. W nim następuje odparowanie czynnika chłodniczego z roztworu roboczego. Para czynnika chłodniczego dopływa do skraplacza i dalej obieg wygląda jak w chłodziarkach sprężarkowych. Sprężarki chemiczne stosowane są w sytuacji łatwego dostępu do taniego ródła ciepła. Chłodziarki absorpcyjne mogą by stosowane w połączeniu z systemami ciepłowniczymi. Woda używana w zimie do celów grzejnych może w porze letniej służyć do napędu chłodziarek cieplnych. Układ absorbera i desorbera stanowi sprężarkę chemiczna, natomiast pozostała część obiegu jest identyczna jak w chłodziarce sprężarkowej. W praktyce najczęściej wykorzystywane są dwa rodzaje chłodziarek absorpcyjnych:

bromolitowe (czynnik roboczy - woda)
amoniakalne (czynnik roboczy - amoniak).

Chłodziarki zasilane ciepłem małej mocy - adsorpcyjne

W chłodziarkach adsorpcyjnych czynnikiem roboczym jest woda natomiast adsorbentem silikażel. W parowniku zachodzi wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym a wodą lodową. Czynnik chłodniczy jest adsorbowany i desorbowany przez adsorbent (silikażel) w jednej z dwóch komór adsorpcyjnych. Woda lodowa ma temperaturę 6-7°C, przy czym temperatura wody gorącej wynosi od 60 do 90°C. Głównym powodem rozwoju adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych są coraz bardziej restrykcyjne przepisy dotyczące stosowania czynników chłodniczych zubożających warstwę ozonową. Restrykcje te nie dotyczą adsorpcyjnych urządzeń chłodniczych, gdyż większość czynników chłodniczych z stosowanych w urządzeniach adsorpcyjnych nie ma wpływu na warstwę ozonową. Głównymi czynnikami chłodniczymi stosowanymi w adsorpcyjnych urządzeniach chłodniczych są: woda, amoniak, metanol, dwutlenek węgla. Źródłem energii dla urządzeń adsorpcyjnych jest energia cieplna (najlepiej gdy jest to energia odpadowa). Układ pracuje cyklicznie i w urządzeniu z dwoma adsorberami składa się z dwóch półcykli. Na początku pierwszego półcyklu w adsorberze pierwszym panuje niskie ci nienie, niska temperatura i adsorber jest nasycony czynnikiem chłodniczym, natomiast w adsorberze drugim panuje wysoka temperatura, wysokie ci nienie oraz adsorber posiada minimalną wartość zaadsorbowanego czynnika. Wszystkie zawory są zamknięte. Pierwszy pół cykl polega na dostarczaniu ciepła do pierwszego adsorbera, oraz odbieraniu ciepła z adsorbera drugiego. W wyniku wymiany ciepła w adsorberze pierwszym wzrasta temperatura i ci nienie. Natomiast w adsorberze drugim maleje temperatura i ci nienie. Gdy ci nienie w pierwszym adsorberze wzro nie do warto ci ci nienia skraplania, oraz ci nienie w adsorberze drugim spadnie do wartoci cinienia parowania, otwiera się zawór łączący adsorber pierwszy ze skraplaczem i zawór łączący adsorber drugi z parownikiem. W tym momencie zaczyna się efektywna praca układu chłodniczego. Z adsorbera pierwszego desorbuje czynnik chłodniczy i przepływa przez skraplacz oraz parownik, i jest adsorbo-wany w adsorberze drugim. Kiedy zakończy się desorpcja i adsorpcja w poszczególnych adsorberach kończy się pierwszy półcyki i zawory zamykają się. Drugi półcykl jest analogiczny do pierwszego z tą różnicą, że teraz to do adsorbera drugiego dostarczamy ciepło, a z adsorbera pierwszego ciepło odbieramy. Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze można podzieli za względu na liczbę adsorberów oraz rodzaj pracy adsorbera. Ze względu na liczbę adsorberów wyróżniamy urządzenia z jednym, dwoma, czteroma i większą ilością adsorberów. Ilo adsorberów wywiera wpływ na ciągłość procesu chłodzenia. W wypadku jednego adsorbera efektywny proces chłodzenia zachodzi jedynie podczas desorpcji czynnika. Przy założeniu czasu desorpcji i adsorpcji na tym samym poziomie efekt chłodniczy uzyskuje się przez mniej niż połowę czasu działania urządzenia. Wynika to z faktu, że na początku cyklu dostarczania ciepła do adsorbera czynnik chłodniczy nie przepływa przez skraplacz i parownik. W przypadku dwóch adsorberów efektywny czas chłodzenia wzrasta dwukrotnie, ponieważ podczas gdy jeden adsorber desorbuje drugi adsorbuje. Adsorpcyjne urządzenia chłodnicze z jednym adsorberem zazwyczaj są wykorzystywane w instalacjach o cyklu dobowym. Źródłem ciepła w takich instalacjach jest energia słoneczna. W chwili obecnej na rynku są dostępne 4 produkty produkowane seryjnie oraz 2 prototypy.

Koszty inwestycyjne

Ze względu na fakt, ze technologie tri generacji małej mocy dopiero wchodzą na rynek, nie ma wiarygodnej bazy danych dla dokładnego oszacowania kosztów inwestycyjnych. Dla większości systemów muszą by one kalkulowane indywidualnie. Znane są koszty systemów kogeneracyjnych jak również urządzeń do produkcji chłodu z ciepła. Jednak małe dowiadczenia związane z integracja tych systemów skłaniają do ostrożnego kalkulowania kosztów. Ponizej za [6] przedstawiono zależności jednostkowych kosztów systemów CHP w funkcji mocy elektrycznej systemu (krzywe CHP oraz Preisatlas) oraz systemów chłodzących zasilanych ciepłem (TDC) w funkcji mocy chłodniczej (Jakob). Dla określenia kosztów inwestycyjnych można użyć równania: dla którego parametry podano w tabeli poniżej [6]:

Podsumowanie

Właściwie nie ma już żadnych barier powszechnego stosowania małych układów ko generacyjnych w budynkach. Jedyna barierą na dzisiaj w Polsce są skomplikowane procedury związane ze sprzedażą nadmiaru wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci i uzyskaniem wiadectw pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej Kogeneracji. Technologie trigeneracyjne małej skali są już dostępne na rynku. Jednak ze względu na niewielkie do wiadczenia związane przede wszystkim z integracja poszczególnych elementów systemów ich rozpowszechnianie jest ciągle utrudnione.

Literatura

[1] Polygeneration In Europe - a technical report, POLYSMART, 6 Framework Program Project, 2008, www.polysmart.org

[2] Heim D, Narowski P, Wiszniewski A, Zastosowanie symulacji energetycznej budynku do wymiarowania TRI-generacyjnego układu zasilania w energią budynku wyposażonego w wymiennik gruntowy - studium przypadku. COiW 9/2005

[3] Summerheat guideline, Summerheat IEE Project 2009, www.eu-summerheat.net [4] Bonder L. Uwarunkowania I korzyści inwestowania w biogazownie, VI Forum Burmistrzów i Wójtów województwa lubelskiego, Lublin 2010-04-02

[5] Nunez T. Classification of Polygeneration Systems - Review of Technologies, Polysmart Public Workshop, Warszawa 2010, www.nape.pl

[6] Schicktanz M, Wapler J, Henning H-M, Primary energy and economic analysis of combined heating, cooling and power systems, POLYSMART - materiał nie publikowany 2010.

Autor: Andrzej Wiszniewski

Materiały z Forum Termomodernizacja 2010 zorganizowanego przez Zrzeszenie Audytorów Energetycznych.

Podziękowania dla organizatorów za udostępnienie materiałów.