Kogeneratory do zasilania energią przedsiębiorstw przemysłowych

W czasach transformacji systemu energetycznego na pierwszy plan wysuwają się koncepcje niezależnego i zdecentralizowanego wytwarzania energii użytecznej. Efektywność energetyczna, elastyczność i oszczędność zasobów to decydujące kryteria. Decentralizacja produkcji energii elektrycznej za pomocą kogeneracji oferuje pod tym względem ogromny potencjał. W ramach zdecentralizowanego systemu dostaw energii dla przedsiębiorstw przemysłowych, niezależnego od warunków ramowych polityki energetycznej, coraz ważniejsze stają się kogeneratory.


Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej, czyli kogeneracja, to jednoczesna konwersja energii pierwotnej (w postaci paliwa) w systemie technicznym na użyteczną energię cieplną i mechaniczną (jako podstawy do wytwarzania energii elektrycznej). Ten rodzaj konwersji energii charakteryzuje się wysokim stopniem sprawności, tj. bardzo efektywną konwersją paliwa na energię użyteczną.

Zalety kogeneracji

W porównaniu do oddzielnego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła ma następujące zalety:

EKOLOGICZNE

  • zwiększające wydajność
  • redukcja CO2
  • zrównoważony rozwój
  • nieszkodliwe dla środowiska
  • oszczędzające zasobów

 

EKONOMICZNE

  • dynamiczne
  • niezależne
  • redukujące koszty
  • polepszające konkurencyjność
  • zapewniające bezpieczeństwo dostaw

 

Zalety tego procesu znajdują odzwierciedlenie również w celach polityki energetycznej i klimatycznej rządu federalnego, który chce do 2020 roku zwiększyć udział kogeneracji w produkcji energii elektrycznej do 25%.

W kontekście transformacji systemu energetycznego, kogeneracja jest podstawowym filarem i ogniwem łączącym zmienny rynek energii elektrycznej z rynkiem ciepła umożliwiającym lepsze planowanie.


 



Kogenerator

Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej może być realizowane w kogeneratorach. Główną zasadą działania jest z definicji jednoczesne wytwarzanie energii cieplnej i mechanicznej w systemie technicznym. Kogeneratory oparte na wydajnych silnikach spalinowych są z powodzeniem stosowane od lat. Zwłaszcza kogeneratory zasilane gazem ziemnym są najczęściej spotykanym rozwiązaniem w zakresie zdecentralizowanych systemów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła.

W kogeneratorach silnik spalinowy (silnik wysokoprężny lub z zapłonem iskrowym) napędza prądnicę wytwarzającą energię elektryczną. Jako silniki stosowane są sprawdzone silniki przemysłowe lub okrętowe. Większość ciepła ze spalin oraz ciepła odbieranego przez płyn chłodzący i chłodnicę oleju jest oddawana jako ciepło użytkowe poprzez wymiennik ciepła.

Udział ciepła ze spalin, płynu chłodzącego i oleju silnikowego zależy od mocy silnika. W dużych silnikach udział ciepła jest w przybliżeniu identyczny, podczas gdy w małych silnikach dominuje płyn chłodzący i ciepło oleju silnikowego.

Ciepło spalin dostarcza temperatury na poziomie ok. 500 °C. Na wylocie z wymiennika ciepła spaliny mają zazwyczaj temperaturę ok. 120 °C. Przez dodatkowy kondensacyjny wymiennik ciepła możliwe jest dalsze schłodzenie spalin w kogeneratorze. Efektywność cieplną można zwiększyć poprzez wykorzystanie ciepła kondensacji.

Ciepło wytwarzane przez płyn chłodzący silnik i chłodnicę oleju mieści się w zakresie temperatur ok. 85 do 90 °C i jest określane mianem ciepła niskotemperaturowego (= ciepło NT). Należy zauważyć, że w miarę możliwości temperatura powrotu płynu chłodzącego do silnika nie może przekraczać 70 °C. W przypadku stosowania w kogeneratorach tzw. silników chłodzonych na gorąco możliwe są również wyższe temperatury w obiegu chłodzenia wtórnego.

Istnieją dwa warianty odbioru ciepła z kogeneratorów:

Ciepło z obu źródeł w postaci płynu chłodzącego silnika i spalin jest w kogeneratorze przekazywane przez wymiennik ciepła do wspólnego wtórnego obiegu wody. Temperatura zasilania obiegu wtórnego wynosi zazwyczaj 90 °C. Temperatura powrotu nie może przekraczać 70 °C. Jeśli temperatura powrotu przekroczy określoną wartość graniczną, nadmiar ciepła może być odprowadzany do odpowiednich urządzeń chłodzących.

Oddzielne wykorzystanie obu źródeł ciepła wymaga dwóch niezależnych obwodów wtórnych w kogeneratorze. Niskotemperaturowe ciepło z płynu chłodzącego silnik i chłodnicy oleju jest odbierane przez wymiennik ciepła. Podobnie jak w przypadku jednostopniowego odbioru ciepła, temperatura na powrocie nie może przekraczać wartości granicznej wynoszącej ok. 70 °C. Temperatura na zasilaniu wynosi zazwyczaj ok. 85 °C. Energia spalin może być wykorzystana do wytwarzania pary, ogrzewania olejowego nośnika ciepła lub wytwarzania gorącej wody w kotłach odzysknicowych. Innym możliwym zastosowaniem jest wykorzystanie spalin w procesach bezpośredniego lub pośredniego suszenia.

W zależności od konstrukcji silnika w kogeneratorze mogą być stosowane następujące paliwa

  • olej opałowy
  • olej palmowy
  • gaz ciekły
  • gaz ziemny
  • gaz gnilny
  • gaz wysypiskowy
  • biogaz
  • gaz koksowniczy
  • gazy resztkowe z produkcji
  • kombinacja różnych paliw

 



Wytwarzanie energii elektrycznej i podłączenie do sieci

W kogeneratorach stosowane są prądnice zarówno w wersji asynchronicznej jak i synchronicznej. Zaletą prądnic asynchronicznych jest ich prostsza konstrukcja, łatwiejsze utrzymanie, a tym samym wyższa opłacalność niż prądnic synchronicznych. Wadą silników asynchronicznych jest wymaganie zewnętrznego wzbudzenia do rozruchu, które zwykle musi być zapewniane przez sieć elektryczną. Synchronizacja silnika jest automatyczna, ale kompensacja mocy biernej musi być przeprowadzona w zależności od specyfikacji dostawcy energii, ponieważ silnik pobiera moc bierną z sieci. Można temu zaradzić instalując baterie kondensatorów. Dlatego silniki asynchroniczne są stosowane w kogeneratorach tylko do mocy ok. 100 kW.

Jeśli wymagane są większe moce lub jeśli kogenerator ma być eksploatowany w trybie odizolowanym, tzn. bez podłączenia do publicznej sieci elektroenergetycznej, stosowane są prądnice synchroniczne. Bardziej zaawansowana technicznie konstrukcja prądnicy synchronicznej wymaga zastosowania tzw. urządzeń synchronizujących, które służą do dostosowania się do częstotliwości podłączanej sieci. Dzięki zdolności prądnicy synchronicznej zarówno do pobierania mocy biernej zarówno z sieci, jak i do jej dostarczania, zastosowanie takiej prądnicy w kogeneratorze może przyczynić się do obniżenia kosztów energii biernej.

Alternatywą dla pracy w trybie odizolowanym jest możliwość pracy kogeneratora równolegle z siecią. Oznacza to, że kogenerator jest nadal podłączony do publicznej sieci energetycznej, a wytwarzana energia elektryczna

  • jest w stu procentach odprowadzone do sieci lub
  • jest wykorzystywana w całości do zaspokojenia własnych potrzeb przy pokryciu dodatkowego zapotrzebowania na energię elektryczną poprzez jej zakup z sieci publicznej lub
  • w zależności od przebiegu zapotrzebowania na energię elektryczną jest częściowo wykorzystywana do pokrycia własnych potrzeb lub odprowadzana do sieci publicznej.

 

Wykorzystywany tryb pracy zależy od warunków ekonomicznych, które należy zestawić z opcją odprowadzenia do sieci oraz kosztami zakupu z sieci publicznej. Kwestie te muszą być dokładnie przeanalizowane w ramach wstępnego planowania.



Tryby pracy systemu skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła

W zasadzie istnieją trzy różne tryby pracy systemów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Są to
  • eksploatacja sterowana zapotrzebowaniem ciepła
  • eksploatacja sterowana zapotrzebowaniem energii elektrycznej
  • eksploatacja sterowana potrzebami sieci

 

W przypadku pracy sterowanej zapotrzebowaniem ciepła, praca systemu skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła opiera się na zapotrzebowaniu na ciepło. System skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła podąża za zapotrzebowaniem na ciepło i w związku z tym czasami pracuje pod częściowym obciążeniem. Osiąga się w ten sposób najwyższe poziomy sprawności, ponieważ ciepło nie jest niepotrzebnie oddawane do środowiska.

Jednakże w trybie pracy sterowanym zapotrzebowaniem ciepła nie jest wytwarzana największa możliwa ilość energii elektrycznej. Z reguły zapotrzebowanie klienta na energię elektryczną jest wyższe od zainstalowanej mocy elektrycznej. Ponieważ jednak cena zakupu energii elektrycznej z sieci jest zazwyczaj wyższa niż koszt wytworzenia energii elektrycznej przez system skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, celowe może być oddanie części wytworzonego ciepła do środowiska w celu zwiększenia produkcji energii elektrycznej. Jeżeli tryb pracy systemu skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła oparty jest na zapotrzebowaniu odbiorcy na energię elektryczną, określa się to mianem trybu sterowanego zapotrzebowaniem energii elektrycznej. System skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła będzie pracować z częściowym obciążeniem tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest niższe od mocy zainstalowanej elektrociepłowni. W trybie pracy sterowanym zapotrzebowaniem energii elektrycznej system skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła pokrywa największą możliwą część zapotrzebowania energii elektrycznej. Jednak nawet w trybie sterowany zapotrzebowaniem energii elektrycznej ilość ciepła oddawanego do otoczenia nie może być dowolna. W danym roku lub miesiącu musi być spełnione kryterium wysokiej sprawności, zgodnie z którym co najmniej 70% energii z paliwa musi zostać przetworzone na energię użyteczną, czyli energię elektryczną i ciepło. W przeciwnym razie nie można ubiegać się o ulgi podatkowe związane z podatkiem energetycznym.

Znaczenie trybu pracy sterowana potrzebami sieci ciągle rośnie. W przypadku pracy w trybie sterowanym potrzebami sieci, praca instalacji nie jest regulowana przez wymagania klienta, lecz przez wymagania sieci. Kilka systemów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła jest połączonych ze sobą, tworząc tzw. wirtualne elektrownie. Jeśli zapotrzebowanie na energię elektryczną w sieci jest wyższe niż moc elektryczna wytwarzana obecnie przez kogenerator, kilka systemów skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z wirtualnej elektrowni zwiększa swoją moc elektryczną i w ten sposób wspiera częstotliwość pracy sieci. Gdy podaż energii elektrycznej w sieci przerasta zapotrzebowanie, systemy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w wirtualnej elektrowni redukują swoją moc. W trybie pracy sterowanej potrzebami sieci systemy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła wspomagają stabilność sieci poprzez dostarczanie energii bilansującej. Wraz z dalszą ekspansją odnawialnych źródeł energii coraz większe znaczenie będzie miał tryb pracy sterowany potrzebami sieci.

 

Tryb pracy

Zasada działania

Zalety

 

Wady

 

 

 

 

 

Sterowanie zapotrzebowaniem ciepła     

Nastawienie na zapotrzebowanie ciepła

Najwyższy stopień wykorzystania paliwa

 

Niższe wytwarzanie energii elektrycznej

 

 

 

 

 

Sterowanie zapotrzebowaniem energii elektrycznej

Nastawienie na zapotrzebowanie energii elektrycznej    

Maksymalne wytwarzanie energii elektrycznej

 

Niższy współczynnik wykorzystania

 

 

 

 

 

Sterowanie przez potrzeby sieci

Nastawienie na wymagania sieci

Wkład w stabilność sieci
Sprzedaż energii bilansującej

 

 



Prawne warunki ramowe

Ramy prawne, którym podlegają systemy skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, są zróżnicowane. Szczególnie istotne są następujące kwestie

  • federalna ustawa o ochronie przed emisjami (Bundes-Immissionsschutzgesetz, BImSchG)
  • ustawa o skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i cieplnej (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz, KWKG)
  • ustawa o energiach odnawialnych (Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG)
  • ustawa o podatku energetycznym (Energiesteuergesetz, EnergieStG)

Celem ustawy BImSchG jest ochrona środowiska naturalnego, ludzi, zwierząt oraz innego mienia przed negatywnymi oddziaływaniami na środowisko i zapobieganie takim oddziaływaniom. Jeśli w ramach BImSchG instalacja wymaga pozwolenia, ustawa reguluje również, jakie środki ostrożności należy podjąć w celu osiągnięcia wysokiego poziomu ochrony środowiska przed bezpośrednimi lub pośrednimi zagrożeniami powodowanymi przez eksploatację instalacji.

Ustawa o skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i cieplnej (KWKG) stanowi, że operator elektrociepłowni ma prawo do premii za każdą wyprodukowaną kilowatogodzinę energii elektrycznej. W zależności od mocy elektrycznej, dofinansowanie jest ograniczone do określonego okresu czasu.  

 

Celem ustawy o odnawialnych źródłach energii, w skrócie EEG, jest promowanie zrównoważonych dostaw energii w interesie ochrony środowiska i klimatu, oszczędzanie surowców kopalnych, minimalizacja makroekonomicznych kosztów dostaw energii oraz wspieranie dalszego rozwoju technologii odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Rząd federalny wyznaczył sobie za cel zwiększenie do 2050 roku udziału energii odnawialnych do poziomu 80% zużycia energii elektrycznej brutto w Republice Federalnej Niemiec.


Żyjemy w partnerstwie
Znajdź swoją osobę do kontaktów.

Za sprawą około 30 oddziałów w Niemczech i Europie jesteśmy zawsze blisko klienta.
Zapraszamy do kontaktu. Jesteśmy do Państwa dyspozycji.

Szukasz kontaktu w swojej okolicy?
Po prostu wprowadź kod pocztowy.
Karte wird geladen...