PL
EN

Kogeneracja w małej skali

Kogeneracja to jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej, które prowadzi do lepszego, niż w przypadku produkcji rozdzielonej, wykorzystania energii pierwotnej. Przykładowe liczbowe zyski z kogeneracji przedstawiono na rysunku. Jak widać, dla wytworzenia 21 jednostek energii elektrycznej i 33 jednostek ciepła w kogeneracji (przy założeniu teoretycznej sprawności całkowitej na poziomie 90%) potrzeba 60 jednostek energii pierwotnej. Natomiast do wytworzenia tej samej ilości energii końcowej przy generacji rozdzielnej potrzeba aż 97 jednostek energii pierwotnej. Kogeneracja prowadzi zatem do obniżenia kosztów wytwarzania energii końcowej, jak i przyczynia się do zmniejszenia emisji, w szczególności CO2. Możliwości produkcji energii w kogeneracji są zwykle ograniczone poprzez brak zapotrzebowania na energię cieplną.

badania

Produkcja energii elektrycznej i ciepła w trybie generacji rozdzielnej i kogeneracji.

Kogeneracja jako jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej znajduje szczególne zastosowanie w małych jednostkach wytwórczych energetyki rozproszonej. Energia wyprodukowana w jednostkach mikro i małej energetyki rozproszonej trafia w pierwszej kolejności do lokalnego odbiorcy. Rozróżnia się generację na użytek własny gospodarstw, budynków przedsiębiorstw, obiektów administracji i użyteczności publicznej. Nadwyżki energii elektrycznej przekazywane są rozdzielczych sieci elektroenergetycznych. Nadwyżki ciepła trafiają do lokalnych sieci ciepłowniczych. Wyprodukowane paliwa mogą zostać wykorzystane dla celów transportowych lub być zatłoczone do lokalnych sieci paliwowych.

Podstawowymi urządzeniami układów kogeneracyjnych w małej energetyce rozproszonej są silniki spalinowe. Agregaty prądotwórcze na bazie silników spalinowych nadbudowane węzłem ciepłowniczym stanowią trzon układów kogeneracyjnych skojarzonych z układami do produkcji paliw z biomasy – biogazowniami i biorafineriami. Wyposażone w odpowiednie układy zasilania i automatykę zapłonu mogą spalać paliwa gazowe jak i ciekłe, także paliwa mniej kaloryczne, takie jak biogaz z biogazowni fermentacyjnej, gaz syntezowy otrzymywany w wyniku zgazowania pirolitycznego, ciekłe produkty fermentacji alkoholowej i pirolizy, produkty palne z procesu estryfikacji tłuszczów zwierzęcych, itp.

badania

Schemat obiegu kogeneracyjnego silnika spalinowego.

Podstawowymi zaletami elektrowni opartych na silnikach tłokowych są:

  • wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej w szerokim mocy, w tym także podczas pracy w obszarze zakresie obciążeń częściowych,
  • możliwość szybkiego uruchomienia i uzyskania obciążenia nominalnego,
  • możliwość pracy w miejscach oddalonych od linii przesyłowych i w charakterze zasilania awaryjnego,
  • duża różnorodność stosowanych paliw,
  • stosunkowo niskie nakłady inwestycyjne.

W układach kogeneracyjnych w małej skali można także wykorzystywać turbiny lub mikroturbiny gazowe. Na rysunku poniżej przedstawiono schemat obiegu cieplnego kogeneracyjnej turbiny gazowej pracującej w obiegu otwartym. Do komory spalania dostarczone jest sprężone powietrze. W komorze spalania następuje spalenie paliwa i przekazanie ciepła do spalin. Spaliny rozprężają się w turbinie, która napędza generator. Spaliny z wylotu turbiny, o jeszcze wysokiej temperaturze na poziomie 400-600oC trafiają najpierw do rekuperatora, gdzie następuje wstępne ogrzanie sprężonego powietrza, po czym trafiają do wymiennika ciepłowniczego, gdzie zostaje podgrzana woda dla celów ciepłowniczych. Z uwagi na wysoką temperaturę spalin z wylotu turbiny można także budować obiegi gazowo-parowe z kogeneracją. Turbiny gazowe charakteryzują się znacznie dłuższym czasem eksploatacji niż silniki spalinowe i nie wymagają częstych usług dla podtrzymania eksploatacji. Zaletą jest możliwość szybkiego uruchomienia do uzyskania obciążenia nominalnego. Sprawność turbin gazowych w odniesieniu do produkcji energii elektrycznej wypada jednak przeważnie o kilka punktów procentowych gorzej niż dla silników spalinowych w rozważanym zakresie mocy. Wyższe są także koszty inwestycyjne.

badania

Schemat obiegu cieplnego kogeneracyjnej turbiny gazowej.

Duży potencjał posiadają także siłownie kogeneracyjne wyposażone w układy ORC. Podstawowymi elementami składowymi siłowni są: ekologiczny kocioł przystosowany do spalania różnego rodzaju biomasy i biopaliw, obieg pośredni oleju termalnego odbierający ciepło od spalin i przekazujący je do czynnika roboczego, parownik, turbina na parę wodną lub czynnik niskowrzący, generator, skraplacz oraz pompy obiegowe czynnika roboczego i oleju termalnego. W przyjętym rozwiązaniu prąd elektryczny stanowi ok. 10-20% mocy cieplnej układu. Na cele ciepłownicze wykorzystuje się ciepło przegrzania i kondensacji czynnika roboczego układu ORC. Rozwiązanie to jest ciekawe ze względu na jego szczególną predyspozycję do wykorzystania niskotemperaturowych źródeł ciepła, możliwość utylizacji różnych rodzajów paliwa i możliwość zastosowania budowy modułowej – a zatem łatwość dostosowania do wymaganego zakresu mocy. Wydaje się, iż wiele egzemplarzy tych siłowni w perspektywie kilku/kilkunastu lat zostanie wdrożonych w jednostkach wytwórczych energetyki rozproszonej opartej na biomasie. Są to:

  • mikrosiłownie kogeneracyjne o mocy ciepnej do kilkudziesięciu kWc i elektrycznej od kilku do kilkunastu kWe dedykowane dla indywidualnych gospodarstw domowych jako Domowe Siłownie Kogeneracyjne,
  • minisiłownie kogeneracyjne o mocy cieplnej do ok. 5 MWc i elektrycznej 1 MWe dedykowane dla gmin i powiatów (np.: jako Gminne Centra Energetyczne).

 badania

Siłownia kogeneracyjna w obiegu parowym ORC;
P – parownik, TP – turbina parowa, K – kondensator, G – generator.

Z myślą o rozwijaniu technologii minisiłowni kogeneracyjnych skojarzonych z układami produkcji paliw z biomasy charakteryzujących się wysoką sprawnością produkcji energii elektrycznej (40-50%), w IMP PAN prowadzone są prace nad realizacją obiegów kombinowanych gazowo/parowych. Wydaje się, że największą rolę odegrają tu jednostki o mocy 0.5-1MWe. Podstawowy obieg siłowni to obieg silnika spalinowego lub turbiny gazowej, gdzie generator napędzany jest przez silnik spalinowy / turbinę gazową. Dodatkowym obiegiem jest obieg parowy ORC pracujący na cieple odpadowym stanowiącym ciepło spalin oraz ciepło chłodzenia silnika / turbiny. Turbina parowa w obiegu ORC napędza dodatkowy generator, który produkuje dodatkową energię elektryczną. Ciepło przegrzania i kondensacji czynnika roboczego układu ORC jest wówczas wykorzystywane na cele ciepłownicze.

badania

badania

Schematy siłowni kogeneracyjnych w układzie kombinowanym:
A – silnik spalinowy + układ ORC;
B – turbina gazowa + układ ORC; TP – turbina parowa, K – kondensator, G1, G2 – generatory, S – sprężarka, KS – komora spalania turbiny gazowej, W, W1, W2 – wymienniki ciepła.

DO GÓRY