Transformacja energetyczna jest obecnie jednym z najczęściej dyskutowanych zagadnień dotyczących zarówno europejskiej, jak i krajowej polityki klimatyczno-energetycznej. Wyzwania związane z transformacją dotyczą także branży ciepłowniczej. Proces ten jest w głównej mierze wymuszony zaostrzającymi się standardami emisji gazów cieplarnianych (dwutlenku siarki, tlenków azotu) i pyłów z obiektów energetycznego spalania oraz rosnącym kosztem zakupu uprawnień do emisji CO2.
Na zmiany w ciepłownictwie wpływać będą również obecne uwarunkowania geopolityczne i związana z nimi dynamiczna pod względem ceny i dostępności sytuacja na rynku surowców energetycznych.
Zapowiedź nowej legislacji unijnej („fit for 55”), jak również wspomniane realia rynku surowców energetycznych będą w najbliższych latach mocno oddziaływać na branżę ciepłowniczą i stosowane technologie wytwarzania ciepła. Projekty modernizacyjne w ciepłownictwie będą bardziej kompleksowe, a priorytetem stanie się jak największy udział ciepła z OZE.
Metrolog Sp. z o.o. jako generalny wykonawca inwestycji energetycznych, podążając za ogólnoeuropejskim trendem w tym sektorze, podejmuje się realizacji pionierskich, innowacyjnych projektów, które wpisują się w obecnie promowaną strategię „zielonego ładu”.
Jednym z takich projektów była budowa systemu kogeneracji w Szlachęcinie, w ramach którego Metrolog Sp. z o.o. wykonała pierwszą w Polsce instalację odzyskującą ciepło ze ścieków. Innowacyjność rozwiązania zastosowanego w Szlachęcinie polega na połączeniu technologii kogeneracji gazowej i pompy ciepła z dolnym źródłem w postaci ścieków oczyszczonych w jeden spójny i centralnie sterowany układ technologiczny. Instalacja została wybudowana dla spółki Veolia Energia Poznań S.A. na terenie oczyszczalni ścieków należącej do Aquanet S.A. Instalacja istotnie odciąży ciepłownię węglową w Bolechowie ograniczając jej ślad węglowy, jak również emisję związków siarki oraz pyłów do atmosfery.
We wrześniu 2021 roku SYSTEM KOGENERACJI W SZLACHĘCINIE otrzymał nagrodę I stopnia w konkursie BUDOWA ROKU 2020. Konkurs organizowany jest od ponad 30 lat przez Polski Związek Inżynierów i Techników Budownictwa we współpracy z Ministerstwem Rozwoju i Technologii oraz Głównym Urzędem Nadzoru Technicznego i stanowi jeden z najbardziej prestiżowych przeglądów osiągnięć polskiego budownictwa. Jury konkursowe doceniło między innymi innowacyjność projektu polegającą na wybudowaniu pierwszej w Polsce instalacji kogeneracyjnej współpracującej z systemem pomp ciepła odzyskujących ciepło ze ścieków oczyszczonych oraz zastosowanie rozwiązań wspierających ideę dekarbonizacji, radykalną redukcję emisji pyłów i gazów cieplarnianych, a także dywersyfikowanie źródeł energii.
ZASTOSOWANE ROZWIĄZANIA
Dolnym źródłem ciepła dla pomp ciepła są ścieki oczyszczone o minimalnej temperaturze wynoszącej 8°C. Przepływ ścieków charakteryzuje się dużą zmiennością, wahając się od 50 m3/h do 350 m3/h, co częściowo zostało skompensowane poprzez zastosowanie nowo wybudowanego żelbetowego zbiornika o pojemności czynnej 300 m3. Obniżając temperaturę ścieków oczyszczonych o 5°C i zakładając przepływ ścieków na poziomie 188 m3/h osiągnięto moc dolnego źródła ciepła na poziomie około 1100 kWt.
Na poniższym rysunku przedstawiona została zmienność przepływu ścieków oczyszczonych w wybranym okresie.
Rys. 1 Przepływy chwilowe (minutowe) i średnie godzinowe ścieków w dniach 12-18.03.2018 r.
Proces odbioru ciepła ze ścieków oczyszczonych i przekazywania energii do sieci cieplnej odbywa się dwustopniowo. Do pierwszego stopnia, złożonego z dwóch pomp ciepła, ciepło ścieków oczyszczonych doprowadzane jest za pośrednictwem obiegu pośredniego z wykorzystaniem mieszaniny glikolu. Ze skraplaczy pomp pierwszego stopnia ciepło przekazywane jest do wody, która stanowi dolne źródło ciepła dla pompy ciepła drugiego stopnia. Drugi stopień zaaranżowano w postaci sześciu pomp ciepła o parametrach wody chłodzącej skraplacze na poziomie 55/65°C, osiągających sumaryczną moc cieplną około 1650 kWt. Skraplacze urządzeń grzewczych drugiego stopnia połączone są z siecią ciepłowniczą poprzez bufor wody grzewczej o pojemności 7,0 m3. Łączny obliczeniowy przepływ wody w obiegu wynosi 144 m3/h i jest on zmienny w zależności od temperatur dolnego (ścieków) i górnego (wody powrotnej z sieci ciepłowniczej) źródła ciepła.
COP (zależne od temperatury ścieków oczyszczonych) w punkcie projektowym dla wyżej wymienionego układu pomp ciepła wynosi 2,71, a moc elektryczna potrzebna do zasilania pomp ciepła około 605 kWe.
Energia elektryczna zasilająca pompy ciepła produkowana jest w agregacie kogeneracyjnym o mocy elektrycznej 1002 kWe i 1300 kWt mocy cieplnej, stanowiącym również drugie źródło ciepła w instalacji. Łączna moc cieplna urządzeń, które będą zainstalowane w projektowanym budynku technicznym, wynosić będzie zatem około 2950 kWt.
Ciepło wytworzone w układzie kogeneracji i pompie ciepła jest przesyłane do miejskiej sieci cieplnej w Bolechowie. Ciepło w okresie zimowym jest wykorzystywane do podgrzewania powracającej wody sieciowej z osiedla Zielone Wzgórze w Bolechowie do ciepłowni Bolechowo oraz na cele grzewcze budynku technologicznego. Ciepło w okresie letnim jest wykorzystywane do pokrycia w 100% zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową (c.w.u.) osiedla Zielone Wzgórza oraz c.w.u. i technologię zakładów Solaris Bus & Coach Sp. z o.o. w Bolechowie.
Energia elektryczna produkowana w układzie kogeneracji jest wykorzystywana na potrzeby własne (przede wszystkim zasilanie układu pomp ciepła), a jej nadwyżka sprzedawana jest do sieci elektroenergetycznej ENEA Operator Sp. z o.o.
Rys. 2 Schemat blokowy systemu – praca w okresie zimowym
Rys. 3 Schemat blokowy systemu – praca w okresie letnim
ZAKRES PROJEKTU
Metrolog Sp. z o.o. jako generalny wykonawca inwestycji zrealizowała poza wyżej opisaną instalacją technologiczną m.in. następujące prace:
- dokumentację projektową wykonawczą i powykonawczą we wszystkich branżach,
- projekt budowlany zamienny oraz uzyskanie zamiennego pozwolenia na budowę,
- budynek technologiczny wolnostojący o wymiarach w rzucie 32 m x 12,8 m i wysokość 7,5 m, powierzchni zabudowy 409,6 m2, powierzchni użytkowej 363,6 m2, kubaturze 2428,3 m3,
- zbiornik retencyjny na ścieki oczyszczone o pojemności użytkowej 300 m3,
- modernizację istniejącej komory ciepłowniczej B-10 w zakresie wymiany obudowy i zabudowania układu umożliwiającego zdalną regulację kierunków przepływu i temperatury wody sieciowej z elektrociepłowni w Szlachęcinie,
- pompownię w zbiorniku retencyjnym składającą się z 2 pomp zatapialnych oraz armatury,
- sieć technologiczną ścieków oczyszczonych (rurociąg zasilający i powrotny) wykonaną w technologii rur HDPE DN250, łączącą zbiornik retencyjny i budynek technologiczny,
- sieć cieplną (rurociąg zasilający i powrotny) wykonaną w technologii rur stalowych preizolowanych, łączącą budynek technologiczny i komorę ciepłowniczą B-10,
- sieci elektroenergetyczne SN 15kV, światłowód, oświetlenie zewnętrzne,
- układ wyprowadzenia energii elektrycznej od agregatu kogeneracyjnego do stacji transformatorowej SN 15kV ENEA,
- system automatyki umożliwiający bezobsługową pracę układu kogeneracji we współpracy z układem pomp ciepła,
- układ sterowania i wizualizacji SCADA ze stacjami operatorskimi w Szlachęcinie i Bolechowie umożliwiającymi zdalną obsługę obiektu.
WNIOSKI
Połączenie kogeneracji i pompy ciepła odzyskującej ciepło ze ścieków jest krokiem w kierunku realizacji idei zielonego ładu i neutralności klimatycznej. Jest to nie tylko powiązanie technologii, ale również połączenie i współpraca branż wodno-kanalizacyjnej i ciepłowniczej. Poza wdrażanymi ideami dekarbonizacji i odzysku ciepła odpadowego inwestycja zapewnia inwestorowi przede wszystkim wymierne korzyści ekonomiczne i ekologiczne. Nie bez znaczenia pozostaje fakt, że układ pozwala na maksymalizację produkcji ciepła przy jak najmniejszym zużyciu gazu ziemnego.
Spodziewane efekty zrealizowanej inwestycji to łączna roczna produkcja ciepła na poziomie 67 tys. GJ, z czego 38 tys. GJ pochodzi z pompy ciepła i 29 tys. GJ z układu kogeneracji zasilanego gazem ziemnym, oraz produkcja 7,7 tys. MWh energii elektrycznej rocznie. Ponadto roczna redukcja emisji CO2 w Ciepłowni w Bolechowie wyniesie około 2 tys. ton.
Biorąc pod uwagę regulacje i trendy w branży ciepłowniczej, jak również trudną sytuację na rynku paliw dla ciepłownictwa, jest wielce prawdopodobne, że ta pierwsza tego typu instalacja w Polsce wykonana przez Metrolog Sp. z o.o. ma szansę stać się projektem replikowalnym, powielanym w wielu lokalizacjach.
