Autor: Dawid Nocoń, Inżynier Aplikacji
Żyjemy w czasach szybkiego rozwoju technologicznego i wzrastającego zapotrzebowania na energię elektryczną i cieplną. Jednocześnie dokładamy starań, aby ograniczyć zużycie nośników energii, zanieczyszczenie środowiska oraz emisję gazów cieplarnianych, a przez to zminimalizować nasz wpływ na zmiany klimatu. Unia Europejska postawiła za cel ograniczenie emisji dwutlenku węgla o 40 proc. do 2030 r. względem 1990 r.
Jednym ze sposobów zwiększenia produkcji energii bez zwiększania emisji, a nawet przy jej redukcji, jest wykorzystanie układów kogeneracyjnych w trakcie procesów wytwarzania energii.
Kogeneracja jest jedną z odpowiedzi na wymagania środowiskowe stawiane przed przemysłem energetycznym. Jednoczesne wytwarzanie energii cieplnej i prądu pozwala uzyskać sprawność przekraczającą 90 proc., podczas gdy sprawność wytwarzania energii elektrycznej w odłączeniu od energii cieplnej w większości przypadków nie przekracza 40 proc. Kogeneracja ma na celu zmniejszenie ilości przemian termodynamicznych, co z kolei prowadzi do zmniejszenia kosztów eksploatacji, jak również do obniżenia strat energii. Powoduje to także zmniejszenie ilości pierwotnych nośników energii.
Kogeneracja jest jedną z odpowiedzi na wymagania środowiskowe stawiane przed przemysłem energetycznym.
W przypadku kogeneracji małej lub rozproszonej, dodatkową zaletą jest możliwość produkcji energii w miejscu jej wykorzystania, co pozwala ograniczyć straty związane z przesyłem energii na duże odległości. Same straty na przesyle energii elektrycznej mogą osiągnąć 8 proc.
Całkowita oszczędność energii pierwotnej przy wykorzystaniu technologii kogeneracyjnych może przekroczyć 33 proc., nie ograniczając zużycia energii elektrycznej, a jedynie podnosząc sprawność wytwarzania energii. Oszczędność zużycia energii pierwotnej dorównuje poziomem ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych.
Kogeneracja rozproszona to jednoczesne wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej w układach zlokalizowanych bezpośrednio przy odbiorcach energii, także przy wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii, np. biogazu. Jest przeciwieństwem scentralizowanego systemu zaopatrzenia w energię cieplną i elektryczną, pozwala bowiem dostosować proces produkcji do faktycznego zapotrzebowania, a zarazem uniknąć strat na przesyle.
Zastosowanie kogeneracji przy odbiorcach energii pozwala uniknąć kosztów związanych z rozbudową sieci ciepłowniczej i/lub elektrycznej o niewystarczających parametrach. Co więcej, budowa rozproszonych źródeł kogeneracyjnych i wytwarzanie w nich energii cieplnej i elektrycznej zwiększa bezpieczeństwo energetyczne klientów, zmniejszając skutki powstałych awarii na sieci. Dodatkowo takie układy mogą stabilizować parametry pracy sieci energetycznych, co również przekłada się na jakość dostarczanej do klientów energii, a w konsekwencji na sprawność urządzeń. Zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego klientów wpływa na zwiększenie bezpieczeństwa finansowego dostawcy energii, a więc spadek liczby potencjalnych odszkodowań spowodowanych nieodpowiednią jakością dostarczanej energii.
Turbina parowa
Jednym z najbardziej rozpowszechnionych sposobów wytwarzania energii elektrycznej jest zastosowanie turbiny parowej. W klasycznej elektrowni w procesie spalania gazu ziemnego lub w procesie spalania węgla w kotłach wytwarzana jest para wodna pod wysokim ciśnieniem. Przegrzana para wodna kierowana jest do turbiny, gdzie wykonuje pracę, zasilając generator energii elektrycznej. W elektrociepłowni proces ten jest uzupełniony o wykorzystanie energii pozostałej w parze wodnej (ok. 60% energii pierwotnej) w systemie ciepłowniczym. Budowanie elektrociepłowni tego typu jest bardzo korzystne w przypadku dużego zapotrzebowania na energie cieplną i elektryczną, na przykład w pobliżu miasta. Elektrociepłownie w układzie węglowo-parowym i w układzie gazowo-parowym są budowane dla mocy od kilkudziesięciu do kilkuset megawatów.
Turbina gazowa
Turbiną gazową nazywamy silnik cieplny pobierający energię napędową z przepływających spalin. Składa się ona ze sprężarki i turbiny, połączonych wspólnym wałem i komorą spalania między nimi. Do wału turbiny podłączony jest generator prądu. Spaliny z turbiny gazowej kierowane są na kotły, w których energia cieplna spalin jest wykorzystywana do produkcji pary i/lub gorącej wody.
Wykorzystanie energii spalin pozwala zwiększyć sprawność całego układu z około 35 proc. sprawności elektrycznej turbiny do około 90 proc. sprawności całkowitej.
Podobnie jak w przypadku turbiny węglowo-parowej i gazowo-parowej, rozwiązanie to wymaga dużych odbiorów energii elektrycznej i energii cieplnej, by inwestycja była opłacalna. Jedną z cech turbin gazowych jest możliwość uzyskania wysokich parametrów pary. Należy zaznaczyć, że jeśli chodzi o energię elektryczną, to najczęściej nie ma problemu z jej wykorzystaniem, natomiast wykorzystanie energii cieplnej w ciągu całego roku przy stosunkowo dużych wolumenach może być i najczęściej jest problematyczne.
Agregat gazowy
Agregaty gazowe składają się z silnika gazowego i z generatora prądu. Energia mechaniczna wytworzona przez silnik jest przekazywana przez sprzęgło do generatora prądu, gdzie jest zamieniana na energię elektryczną. Ciepło wytworzone w silniku, w płaszczu wodnym, ciepło z chłodzenia mieszanki paliwowo powietrznej i chłodzenia oleju oraz spalin jest odbierane i wykorzystywane w miejscu jej wytworzenia energii bądź przekazywane do sieci ciepłowniczej. Najnowsze agregaty kogeneracyjne są w stanie osiągnąć sprawność elektryczną nawet do 49,9 proc. i sprawność całkowitą przekraczającą 90 proc.
Agregaty kogeneracyjne są dostępne w mocach już od 20kW aż do 10,4 MW energii elektrycznej, co sprawia, że możliwe jest używanie ich w dużych elektrociepłowniach, jak również tam, gdzie zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną jest stosunkowo niewielkie, np. w małych hotelach. Możliwe jest uzyskanie mocy wyższej niż moc pojedynczego agregatu, gdyż pod względem technicznym nie stanowi problemu równoległa praca kilku, a nawet kilkunastu agregatów. Przy połączeniu dwóch agregatów mamy możliwość płynnej regulacji mocy w zakresie 25-100 proc., a w przypadku połączenia pięciu agregatów możliwości regulacji rosną do przedziału 10-100 proc. mocy. Fakt skalowalności instalacji wraz z dużo większą elastycznością sprawia, że agregaty gazowe mogą konkurować z turbinami gazowymi, jak również z turbinami gazowo-parowymi. Zaletą tego typu urządzeń jest możliwość ich pracy na gazie o zawartości CH4 od 25 do 100 proc., co powoduje, że tego typu urządzenia instalowane są tak na składowiskach odpadów, gdzie spalają gaz złej jakości i o małej zawartości CH4, jak na instalacjach zasilanych gazem ziemnym grupy E.
Korzyści z technologii
Dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja kogeneracyjna pozwala nie tylko na zmniejszenie kosztów prowadzenia działalności, ale również na poprawę bezpieczeństwa i niezależności energetycznej firmy. Patrząc w szerszej perspektywie, jest również korzystna dla środowiska naturalnego, gdyż zmniejsza wpływ danej działalności, ograniczając emisję gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla. Natomiast stosowanie technologii kogeneracyjnej na składowiskach odpadów, w biogazowniach, a także na kopalniach (w instalacjach odmetanowania kopalń) znacząco ogranicza emisję metanu do atmosfery, a jest to gaz cieplarniany dwadzieścia trzy razy bardziej szkodliwy niż dwutlenek węgla. Jednym z ostatnich przykładów takiej inwestycji jest kogeneracja na terenie PEC Brodnica. Przy mocy zainstalowanej 2,8 MW otrzymana sprawność całkowita to 90,8 proc. Dzięki tej inwestycji możliwe było ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o26 338 ton równoważnika CO2 i zmniejszenie wykorzystania energii pierwotnej o 4370GJ/rok.
Autor: mgr inż Dawid Nocoń
fot. Pixabay
