1. UVOD Energija je nužan resurs za tehni ki i ekonomski razvoj suvremenog svijeta te je uklju ena u sve aspekte društvenog života. Upravo zbog toga, racionalno gospodarenje energijom jedna je od klju nih pretpstavki razvoja. Zadovoljenje sve veih energetskih potreba u budunosti, uz moralan odnos prema okolišu, te raspolaganje prirodnim resursima s ciljem gospodarskog gospodarskog razvitka, iziskuje gradnju novih energetskih postrojenja uz sve strože zahtijeve gospodarenja gospodarenja energijom, racionalizaciju investicijskih ulaganja i zaštitu okoliša. Kogeneracijska postrojenja postrojenja jedan su od na ina maksimalnog iskorištenja primarne energije. Njihova prednost je u visokom stupnju iskoristivosti, te ekološkoj i ekonomskoj prihvatljivosti njihove upotrebe. Kogeneracija se definira kao kombinirana proizvodnja proizvodnja elektri ne (ili mehani ke), te iskoristive toplinske energije. Pritom se toplinska energija može koristiti u tehnološkim procesima, procesima procesima grijanja pa ak i u procesima procesima hlaenja. Prednosti kogeneracijskih kogeneracijskih sustava, pred klasi nim sustavima s odvojenom opskrbom elektri nom i toplinskom energijom, vidljive su ako se meusobno usporede gubici koji nastaju pri proizvodnji energije u oba sustava. Do 1973. godine niske cijene goriva omoguavale su proizvodnju relativno jeftine elektri ne energije. Energetska postrojenja u svijetu bila su pretežno u vlasništvu javnih poduzea. Nagli porast cijena goriva izazvao je potrebu za razvijanjem energetskih energetskih tehnologija i poveanjem efikasnosti postrojenja za proizvodnju elektri ne energije. Istovremeno, poveana ekološka ekološka svijest, kao i spoznaja o sve siromašnijim izvorima energije, zahtijevala je sve veu pažnju o uvanju okoline i preostalih resursa, te su mala kogeneracijska kogeneracijska postrojenja postala efikasni i konkurentni proizvoa i elektri ne energije. 2 2. KOGENERACIJA I KOGENERACIJSKA KOGENERACIJSKA POSTROJENJA 2.1. KOGENERACIJA KOGENERACIJA Kogeneracija se može definirati kao proces korištenja primarne energije goriva za proizvodnju dvaju korisnih energetskih oblika: toplinske energije i korisnog rada. Dobiveni korisni rad koristi se naj eše za proizvodnju proizvodnju elektri ne energije, dok se proizvedena toplinska energija koristiti u tehnološkim procesima, procesima grijanja ili procesima hlaenja. Kogeneracija je takoer proizvodnja elektri ne energije iz otpadne topline bilo kojeg toplinskog procesa. Proces se odvija s maksimalnom uporabom uporabom kemijske energije goriva, tj. smanjenjem gubitaka, ali je preduvjet velik broj radnih sati tijekom godine. Slika 1. Kogeneracija 3 2.2. PREDNOSTI I PREPREKE KOGENERACIJE 2.2.1. Prednosti kogeneracije kogeneracije Zadovoljenje sve veih energetskih potreba u budunosti, uz moralan odnos prema okolišu te raspolaganje prirodnim resursima s ciljem gospodarskog gospodarskog razvitka i civilizacijskog napretka, iziskuje gradnju novih energetskih postrojenja uz sve strože zahtijeve gospodarenja energijom, racionalizaciju investicijskih ulaganja i zaštitu okoliša. Tako je pred energeti are postavljen zadatak pronalaženja na ina proizvodnje energije uz najvišu moguu energetsku u inkovitost, koristei najbolje raspoložive tehnologije i ekološki prihvatljiva goriva na krajnje racionalan na in. Kogeneracijski procesi su upravo takva tehnologija koja udovoljava sve nabrajane uvijete. Primjena kogeneracijskih sustava se prvenstveno razmatra zbog njihove visoke energetske efikasnosti, te s time povezanim ekološkim i ekonomskim prednostima. Ukupni stupanj efikasnosti ovih postrojenja (toplinska u inkovitost) u nekim slu ajevima iznosi i preko 90 posto, pa se može konstatirati da, u odnosu na tradicionalne sustave, kogeneracija predstavlja predstavlja najefikasniji oblik pretvorbe energije, kako s energetske to ke gledišta tako i s to ke zaštite okoliša. Kogeneracijskom proizvodnjom proizvodnjom smanjuje se utjecaj na okoliš po svim aspektima, a posebno se smanjuje emisija CO2, SO2 i NOx. Najzna ajnije prednosti kogeneracijske proizvodnje u odnosu na odvojenu proizvodnju elektri ne energije u klasi noj elektrani i toplinske u kotlovnici o ituju se kroz: - znatne uštede primarne energije energije iz ega proizlaze i manji troškovi, troškovi, - kvalitetnija opskrba elektri nom energijom i vea pouzdanost, što je izuzetno
važno za potroša e osjetljive na prekide opskrbe, - smanjenje štetnog utjecaja na okoliš, jer iz visoke energetske u inkovitosti i manje potrošnje primarnog energenta proizlaze manja emisija štetnih tvari, manja koli ina otpadne topline i manja emisija buke, - relativna ulaganja u odnosu na pozitivne karakteristike i isplativost za nekoliko godina, 4 - kratak rok izgradnje zbog paketne izvedbe agregata i prethodno tvorni ki sklopljenih elemenata, - jednostavniji put ishoenja raznih dozvola, naro ito za slu aj industrijskih pogona ili nekog javnog objekta. Prednosti kogeneracijskih sustava, pred klasi nim sustavima s odvojenom opskrbom elektri nom i toplinskom energijom, vidljive su ako se meusobno usporede gubici koji nastaju pri proizvodnji energije u oba promatrana sustava. Takva usporedba kogeneracijske i odvojene proizvodnje energije sa stajališta stupnja iskoristivosti dana je na slici 1. Pritom treba istaknuti da je ovakav stupanj iskoristivosti kogeneracijskog postrojenja svojstven režimu rada pri kojem se utroši sva toplinska energija proizvedena u sustavu. Osnovna prednost kogeneracije je poveana u inkovitost energenta u odnosu na konvencionalne elektrane koje služe samo za proizvodnju elektri ne energije te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vrue vode za tehni ke procese. Kogeneracije imaju zna ajnu ulogu kao distribuirani izvor energije zbog pozitivnih u inaka: manji gubici u mreži, smanjenje zagušenja u prijenosu, poveanje kvalitete napona i poveanje pouzdanosti opskrbe elektri nom energijom. Uz sve navedeno, smanjen je i štetan u inak na okoliš. 5 0,58 200 36 80 h = + = 0,86 100 h = 36 + 50 = Slika 2. Usporedba kogeneracijske i konvencionalne proizvodnje energije 2.2.2. Prepreke za kogeneraciju Premda postoji veliki potencijal za kogeneracijsku proizvodnju, a energetski zakoni su prepoznali kao nacionalni interes, klju ne prepreke za kogeneraciju su i dalje prisutne. Najvažnijim preprekama mogu se smatrati: Izostanak jasno definiranog i jednostavnog postupka priklju enja na mrežu, te graevinsko-tehni ke procedure izgradnje kogeneracijskog postrojenja Nepovoljan odnos cijena elektri ne energije i goriva koji favorizira korištenje elektri ne energije Nepostojanje utvrivanja i postupka stjecanja prava prodaje te iznosa otkupnih cijena za viškove elektri ne energije 6 Nepostojanje tarifnog modela, odnosno postupka ostvarivanja prava te posebne ne penalizirajue cijene za vršnu i posebno rezervnu elektri nu energiju Nerazumijevanje i neprepoznavanje mogunosti doprinosa kogeneracije smanjenju emisija, u pogledu globalne bilance, kao i u zakonskim aktima, te ak potencijalno penaliziranje kogeneracijske proizvodnje zbog poveanja lokalnih emisija Nedovoljna zainteresiranost i razumijevanje financijskih institucija za financiranje projekata energetske u inkovitosti openito, kao i kogeneracija Nepostojanje fiskalnih ili drugih poticajnih mjera Izostanak specijalisti kog obrazovanja i osposobljavanja stru njaka za
usluge konzaltinga u energetskoj u inkovitosti, te je slabo razumijevanje primjene kogeneracije u pogledu zadovoljavanja korisnih toplinskih potreba Informiranje i edukacija potencijalnih korisnika Spora dinamika donošenja i implementacija zakona, a posebno nepostojanje specifi nog zakonskog akta za kogeneraciju u kojemu bi se cjelokupna problematika mogla sustavno definirati 7 2.3. KOGENERACIJSKA POSTROJENJA Kogeneracijska postrojenja su postrojenja u kojim ase odvija kogeneracija. Kod kogeneracijskih postrojenja koriste se izravni i neizravni postupci pretvorbe kemijske energije goriva u elektri nu i toplinsku energiju. Za izravnu se pretvorbu koriste: - razne vrste gorivnih elija odnosno elemenata ili lanaka. Za neizravnu se pretvorbu koriste: - motori s unutarnjim izgaranjem, - plinske turbine, - parne turbine. Kogeneracijska postrojenja se dijela na: 1. Kogeneracijska postrojenja instalirane elektri ne snage do uklju ivo 1 MW, priklju ena na distributivnu mrežu. a) kogeneracijska postrojenja instalirane elektri ne snage do uklju ivo 50 kW, tzv. mikro-kogeneracije b) kogeneracijska postrojenja instalirane elektri ne snage vee od 50 kW do uklju ivo 1 MW, tzv. male kogeneracije 2. Kogeneracijska postrojenja instalirane elektri ne snage vee od 1 MW, priklju ena na prijenosnu ili distributivnu mrežu. a) kogeneracijska postrojenja instalirane elektri ne snage vee od 1 MW do uklju ivo 25 MW, tzv. srednje kogeneracije b) kogeneracijska postrojenja instalirane elektri ne snage vee od 25 MW, tzv. velike kogeneracije 3. Individualna kogeneracijska postrojenja koja nisu priklju ena na prijenosnu ili distributivnu mrežu. 8 2.3.1. Gorive elije Gorivne elije su elektrokemijski ureaji za neposrednu pretvorbu kemijske energije vodika i kisika u istosmjernu elektri nu energiju, a kao dodatni proizvod nastaje voda. Gorivne elije se kao i baterije sastoje od anode, katode i elektrolita, samo što za razliku od baterija ne uvaju kemijsku energiju, nego kemijsku energiju goriva pretvaraju u elektri nu energiju. Princip rada gorivih elija je slijedei: na anodi gorive elije vrši se proces deelektronacije goriva (elektrooksidacija), tako osloboeni elektroni putuju vanjskim elektri nim krugom, preko trošila, do katode, a kationi nastali na anodi putuju kroz elektrolit do katode. Na katodi gorive elije reducira se drugi element ili spoj koji sudjeluje u kemijskoj reakciji, naj eše je to kisik, tako nastali ioni spajaju se u kona ni produkt reakcije koji se odvodi iz gorive elije. Proces u gorivnoj eliji definira se kao elektrokemijski proces koji kontinuirano transformira kemijsku energiju plina i oksidacijskog sredstva u elektri nu i toplinsku energiju, dakle može se dobiti elektri na energija, topla voda i niskotla na para. Prednost ove tehnologije je u tome što omoguava proizvodnju elektri ne i toplinske energije izravno iz kemijske energije plina elektrokemijskom reakcijom bez standardnog izgaranja goriva. Slika 3. Gorive elije 9 2.3.2. Motori s unutarnjim izgaranjem Motori s unutarnjim izgaranjem toplinski su motori kod kojih se toplina pretvara u mehani ki rad. To se postiže odvijanjem nekog toplinskog procesa unutar nekog mehani kog sistema. Motori s unutarnjim izgaranjem se u kogeneracijskim postrojenjima mogu koristiti kao:
- plinski motori (Otto), - dizelski motori, - plinsko-dizelski motori. Prema broju okretaja motori mogu biti: - sporohodni 80-300 o/min, - srednjohodni 450-1000 o/min, - brzohodni 1200-3000 o/min. Kod standardnih kogeneracija najviše se koriste brzohodni motori. Kod dualnog motornog pogona (plin-dizelsko gorivo) osnovno gorivo je plin, a dizelsko gorivo se dodaje u iznosu od 3 do 15 %, što omoguava lakše paljenje jer prirodni plin zahtijeva višu temperaturu paljenja nego dizelsko gorivo. Plinski su motori najprihvatljiviji kogeneracijski ureaji sa stajališta plinskih distributivnih mreža, jer ne zahtijevaju posebne opskrbne tlakove plina, te se mogu opskrbljivati sa standardnim tokovima distribucije plina. 10 2.3.3. Plinske turbine Kod kogeneracije plinske se turbine koriste za podru je snage od 1,6 do 10 (MW)e. Imaju lošiju elektroenergetsku karakteristiku u odnosu na motore, ali zato imaju bolju toplinsku karakteristiku. Mogue su mnoge varijante kogeneracijskih postrojenja s plinskim turbinama koje se prilagouju raznim energetskim opskrbama, kao što su: - kogeneracijsko postrojenje s plinskom turbinom i apsorpcijskim rashladnim ureajem, - kogeneracijsko postrojenje s plinskom turbinom i dodatnim loženjem, - kogeneracijsko postrojenje s plinskom i parnom turbinom (kombinirani proces). Osnovne karakteristike plinskih turbinskih kogeneracija su sljedee: - koriste se pri veim snagama; 1,6 do 10 (MW)e, - imaju nižu elektroenergetsku karakteristiku, - imaju veu toplinsku karakteristiku u odnosu na motore, - specifi na potrošnja goriva po jedinici energije vea je nego kod motora, - troši više goriva s regulacijom optereenja po jedinici energije nego motor, - snaga ureaja se mijenja s promjenom okolne temperature, - rade se u paketnoj (kontejnerskoj) izvedbi. Slika 4. Modul plinske turbine 11 2.3.4. Parne turbine Parna turbina pripada grupi toplinskih motora, poput motora sa unutrašnjim izgaranjem, koji pretvaraju toplinsku energiju u mehani ki rad. Parne turbine se koriste u kombiniranim procesima u razli itim kombinacijama, ali u pravilu uz plinsku turbinu i dodatke za dodatno loženje i proizvodnju pare visokog tlaka, a rezultat je vea elektroenergetska karakteristika i vea djelotvornost cijelog postrojenja. Stupanj iskoristivosti goriva za proizvodnju elektri ne energije doseže 52 %. Visok stupanj korisnosti postrojenja, velika snaga, velik odnos snage prema masi motora, sigurnost u pogonu, visok stupanj automatizacije neki su od razloga zbog kojih parna turbina i danas zauzima vodee mjesto u proizvodnji elektri ne energije. U konvencionalnim parnim elektranama visokotla na para ekspandira u parnoj turbini i kao niskotla na para odlazi u kondenzator. Kada se parne turbine koriste kao kogeneracijska tehnologija , para se može koristiti izravno za potrebe procesa u industriji ili se može preko izmjenjiva a topline dalje koristiti za grijanje u kuanstvima. Slika 5. Parna turbina 12 VRSTA AGREGATA GORIVO ELEKTRINA SNAGA ( Mwe) ELEKTRINA UINKOVITOST
(%) TERMIKA UINKOVITOST (%) RASPOLOŽIVA TOPLINSKA ENERGIJA( ºC ) NAJEŠA PRIMJENA Parna turbina Kruto, tekue, plinovito 0,5 - 500 7 - 20 60 - 80 120 - 400 Korištenje biomase Plinska turbina Plinovito ( tekue ) 0,25 - 50 25 - 42 65 - 87 120 - 500 Industrija, podru no grijanje Kombinirani ciklus Plinovito ( tekue ) 3 - 300 35 - 55 73 - 90 120 - 400 Industrija, podru no grijanje Plinski i Diesel motor Plinovito i tekue 0,03 - 20 25 - 45 65 - 90 80 - 120 GVK sustavi, industrija, staklenici Mikro turbina Plinovito i tekue 0,03 – 0,2 15 - 30 60 - 85 100 - 400 GVK sustvavi, procesi sušenja Goriva elija Plinovito i tekue 0,05 - 3 ~37 - 50 ~85 - 90 80 - 100 GVK sustvavi Stirling motor Kruto, tekue, plinovito 0,01 – 1,5 ~40 65 - 85 80 - 120 GVK sustvavi Tablica 1. Pregled vrsta agregata i podru ja primjene 13 ¸ 2.4. KOGENERACIJA U HRVATSKOJ Kogeneracija se u Hrvatskoj koristi ve dugi niz godina, kako u sustavima podru nog grijanja, tako i u industrijskim agregatima. U Hrvatskoj su instalirana kogeneracijska postrojenja ukupne snage oko 675 Mwe, što ini oko 14% ukupnih proizvodnih kapacitetau elektroenergetskom sustavu hrvatske. ak 42% kogeneracijskih postrojenja imaju hidroelektrane, 24% termoelektrane, 13% TE izvan Hrvatske, 10% javne kogeneracije, odnosno toplane, 7% NE Krško i 4% zauzimaju
industrijske kogeneracije. Pri tome valja napomenuti da je proizvodnja elektri ne i toplinske energije u industrijskim kogeneracijama odreena potrebama tehnološkog procesa, te se može pretpostaviti da je cijelokupna godišnja proizvodnja elektri ne energije u kogeneracijskom procesu. S druge strane, proizvodnja elektri ne energije u javnim kogeneracijama (toplanama) je kontinuirana, a proizvodnja toplinske energije odreena je potrebama konzuma tijekom sezone grijanja. Stoga javne kogeneracije u principu ne proizvode ukupnu godišnju koli inu elektri ne energije u kogeneracijskom procesu, ve se dio proizvodnje odvija u kondenzacijskom procesu bez korištenja topline. 2.4.1. Podruja primjene kogeneracijskih postrojenja Veli ina kogeneracijskih sustava može varirati u širokom spektru snage od svega nekoliko kW do nekoliko stotina kW, što ih ini prilagodljivima širokom spektru zahtijeva potroša a. Najprikladniji objekti za primjenu kogeneracije su oni kod kojih se toplinska energija troši kontinuirano, dulji vremenski period tijekom dana, tjedna, odnosno godine. Prikladni su i u slu ajevima kada postoje razna otpadna goriva (drvni ostaci, bioplin, … ), koja se mogu koristiti kao primarni energent. Naj ešu primjenu imaju u industriji gdje se koriste za proizvodnju pare razli itih parametara koja se zatim koristi kao toplina u tehnološkom procesu te u onim 14 industrijama u kojima tijekom tehnološkog procesa nastaje otpad koji se može koristiti kao primarno gorivo. Industrija u Hrvatskoj ini oko 23% nacionalne potrošnje elektri ne energije i oko 38% toplinske potrošnje. Kogeneracijska postrojenja mogu se koristiti i za podmirenje energetskih potreba u poljoprivrednom sektoru. Podrazumijeva se potrošnja elektri ne i toplinske energije u raznim tehnološkim procesima prerade i proizvodnje prehrambenih proizvoda kao što je npr. Zagrijavanje staklenika. U sektoru ope potrošnje, prikladni objekti za primjenu kogeneracijskih postrojenja su oni u kojima se istovremeno koriste razli iti oblici energije ( elektri na, toplinska, rashladna ) i za koje je kontinuirana opskrba energijom od presudnog zna aja. Slika 6. Udio pojedine kategorije u ukupnoj potrošnji Obuhvaen je širok spektar uglavnom manjih potroša a kao što su: stambeni objekti i naselja, bolnice, državne ustanove, vojni objekti, škole, sveu ilišta, sportsko-rekreacijski centri, trgova ki centri, itd. Potrošnja energije za grijanje i kondicioniranje zraka ini najzna ajniji dio toplinske energetrske potrošnje. Ovisno o namjeni objekta i klimatskim uvijetima, 15 hlaenje može sudjelovati s veim udjelom u ukupnoj energetskoj potrošnji za grijanje i klimatizaciju. S porastom životnog standarda za o ekivati je kontinuiran porast tog segmenta potrošnje. Potrošnju energije, osim za grijanje, ini uglavnom potrošnja elektri ne energije koja se u zgradama koristi za rasvijetu, pogon razli itih ureaja i instrumenata, elektromotorne pogone te hlaenje, kondicioniranje zraka i ventilaciju. Potrošnju elektri ne energije možemo ras laniti na potrebe koje su uvjetovane sezonskih promjenama (hlaenje i kondicioniranje zraka), te potrebe koje su kontinuirane tijekom godine i neovise o sezonskih promijenama (rasvjeta, ventilacija, motorni pogon, ra unalna oprema, dizala, kihinja, sanitarni ureaji...). Slika 7. Udjeli pojedinih izvora energije 16 3. EKONOMINOST KOGENERACIJSKIH POSTROJENJA Kogeneracijski procesi se naj eše razmatraju zbog svoje visoke energetske u inkovitosti i zbog smanjenog štetnog utjecaja na okoliš u odnosu na konvencionalne sustave. Zbog relativno smanjenje potrošnje goriva, smenjuje se cijena proizvodnje energije, što ukazuje na opravdano korištenje takvih procesa u gospodarenju energijom. Ukoliko se iz proizvedene toplinske energije realizira i proizvodnja rashladne energije, ekonomi nost kogeneracijskog postrojenja postaje još vea. Kogeneracijski proces je naju inkovitiji kada pokriva temeljno toplinsko i
elektri no optere enje i ostvaruje što vei broj sati rada godišnje. Ulaganja u sustave kogeneracije uklju uju cijenu kogeneracijskog postarojenja, elektri nu opremu potrebnu za priklju ak na mrežu, prilagodbu postojeeg sustava i potroša a toplinske energije, sustav za hlaenje i ventilaciju pogonskog agregata, sustav za korištenje ispušnih plinova te ostale troškove instalacije i montaže koji podrazumijevaju inženjering i financijske usluge. Na isplativost kogeneracijskog postrojenja najviše e utijecati trošak primarnog energenta, odnodno goriva, te cijena elektri ne energije. Troškovi goriva direktno su ovisni o vrsti korištenog goriva i karakteristikama pogonskog agregata, predstavljaju najzna ajnije pogonske troškove koji mogu dosei i do 80 % ukupnih troškova. Instaliranje kogeneracijskih postrojenja ima smisla i ekonomi no je samo u slu aju kada postoji potrošnja svukupne proizvedene topline iz spojenog procesa. Stoga primjenu kogeneracijskih postrojenja treba vezivati uz koncepte primjene odvedene topline, odnosno procesa gdje se odvedena toplina koristi ili za proizvodnju pare ili vrue vode (grijanje zatvorenih bazena, sportskih centara, bolnica, škola, stambenih naselja, zgrada, itd.) ili za proizvodnju ohlaene vode za procese hlaenja pomou apsorpcijskih hladnjaka ili za proizvodnju pare i topline neophodne za tehnološke procese u procesu sušenja (sušenje graevinskog materijala). Analiza ekonomi nosti kogeneracijskog postrojenja po inje usporedbom ekonomi nosti proizvodnje toplinske i elektri ne energije u kogeneracijskom postrojenju 17 s izravnom proizvodnjom toplinske energije u vlastitoj kotlovnici i nabavkom elektri ne energije iz centraliziranog elektroenergetskog sustava. Analizu potencijala za primjenu kogeneracijskih sustava treba usmjeriti na ekonomi nost pogona i u svakom pojedina nom slu aju dokazati da takvo postrojenje radi ekonomi no, tj. Korisniku uzrokuje manje troškove nego uobi ajena odvojena opskrba elektri nom energijom i toplinom. Takoer, pri dimenzioniranju kogeneracijskog postrojenja teži se da se s minimumom instalirane snage postigne maksimum koristi. Slika 8. Kogeneracijski proces proizvodnje energije 18 3.1. ISPLATIVOST IZGRADNJE KOGENERACIJSKOG POSTROJENJA Model prikaza izra una i odnos klju nih veli ina za utvrivanje isplativosti izgradnje kogeneracijskog postrojenja: PP = INV / H * ITP ( 2-1 ) gdje je: PP – period povrata ( god. ) INV – ulaganja ( kn ) H – ekvivalentni sati maksimalnog optereenja ( h ) ITP – izbjegnuti troškovi ( ostvarene uštede ) ( kn/h ) Iz ove formule za period povrata uloženog novca vidimo da profitabilnost kogeneracijskog postrojenja ovisi o tri faktora, a to su : potrebna ulaganja, korištenje postrojenja i ostvarena ušteda. ITP = P * [ ITE – ( Gkog - Gkkt * ( t / ref ) / e ) – TO ] ( 2-2 ) gdje je: P- elektri na snaga kogeneracija ( kWe ) ITE – prosje na cijena izbjegnutih troškova elektri ne energije ( kn/kWhe ) Gkog – trošak goriva za kogeneraciju ( kn/kWhe ) Gkkt – izbjegnuti trošak goriva kotlovnice ( kn/kWhe ) t – termi ka u inkovitost kogeneracije ref - termi ka u inkovitost referentne kotlovnice e – elektri na u inkovitost kogeneracije TO – troškovi održavanja postrojenja ( kn/kWhe ) 19 3.2. TROŠKOVI I GODIŠNJA UŠTEDA PROCESOM KOGENERACIJE Izra un ušteda temelji se na razlici godišnjih troškova odvojene proizvodnje i troškova kogeneracijskog postrojenja. Troškovi pogona ovise o energetskim potrebama na lokaciji, mehani kom i elektri nom sustavu, cijenama prodaje i kupnje elektri ne energije, troškovima goriva, prostora, osoblja, porezima, te ostalim pogonskim zahtijevima.
Kogeneracijski procesi, zbog postignute visoke razine energetske u inkovitosti, za gospodarstvo zna e smanjenje cijena proizvoda i usluga, odnosno veu konkurentnost na domaem i stranom tržištu. Ekonomska izvodljivost, odnosno isplativost izgradnje kogeneracijskog postrojenja utvruje se temeljem usporedbe proizvodne cijene energije u kogeneracijskog postrojenju i proizvodne cijene enrgije u konvencionalnom postrojenju. Ulaganja u sustave kogeneracije uklju uju cijenu kogeneracijskog postrojenja, elektri nu oprenu potrebnu za priklju ak na mrežu, prilagodbu postojeeg sustava i potroša a toplinnske energije, sustav za hlaenje i ventilaciju pogonskog agregata, sustav za korištenje ispušnih plinova te ostale troškove instalacije i montaže koji podrazumijevaju inženjering, te pravne i financijeske usluge. Na isplativost kogeneracijskog postrojenja najviše e utjecati trošak primarnog energenta ( goriva ) i cijena elektri ne energije. Nije presudna cijena lektri ne energije isporu ene u susutav budui da male i industrijske kogeneracije prvenstveno podmiruju vlastite energetske potrebe, a isporu uju eventualno proizvedeni višak. Izrazito nepovoljan ujecaj imat e cijena elektri ne energije koju proizvaa u kogeneraciji mora kupovati iz elektro-sustava tijekom vršnih optereenja, zastoja ili remonta. Troškovi goriva direktno su ovisni o vrsti korištenog goriva i karakteristikama pogonskog agregata. Predstavljaju najzna ajnije pogonske troškove koji mogu dosei i 80% ukupnih troškova. Korištenje prirodnog plina može zna ajno racionalizirati troškove goriva i troškove koji se odnose na ekološke takse budui da su emisije one išujuih tvari daleko manje nego kod drugih fosilnih goriva. 20 3.2.1. Godišnja ušteda ostvarena kogeneracijom kop o U = T - T ( 2-3 ) gdje je: U – godišnja ušteda ostvarena kogeneracijom ( kn/god. ) Top – troškovi odvojene proizvodnje ( kotlovnice i ostalo, kupnja el. Energije ) ( kn/god. ) Tko – troškovi proizvodnje kogeneracijom ( kn/god. ) 3.2.2. Troškovi kogeneracijskog postrojenja Troškovi kogeneracijskog postrojenja sastoje se iz slijedeih troškova: ko gk ok T = T + T ( 2-4 ) gdje su: Tgk – troškovi goriva utrošenog za rad kogeneracijskog postrojenja ( kn/god. ) Tok – troškovi održavanja kogeneracijskog postrojenja ( kn/god. ) 3.2.3. Troškovi goriva za rad kogeneracije Troškovi goriva za rad kogeneracijskog postrojenja mogu se izra unati: gk e e g T = E × g × c ( 2-5 ) gdje je: Ee – poznata proizvedena elektri na energija ( (kWh)e/god. ) ge – poznata specifi na potrošnja goriva ( m3/(kWh)e ) cg – poznata jedini na cijena goriva ( kn/m3 ) 21 3.2.4. Troškovi održavanja kogeneracijskog postrojenja Troškovi održavanja kogeneracijskog postrojenja mogu se izra unati: ok e D T = E × k × t ( 2-6 ) gdje je: Ee – poznata proizvedena elektri na energija ( (kWh)e/god. ) k – cijena održavanja; po ameri kom iskustvu iznosi k = 0,0167 ( $/(kWh)e ) tD – te aj dolara 22 4. MIKROKOGENERACIJA 4.1. DEFINICIJA MIKROKOGENERACIJE Mikrokogeneracijsko postrojenje je kogeneracijsko postrojenje priklju eno na distributivnu mrežu instalirane elektri ne snage do 1 MW, te snage do 50 kW. Mikrokogeneracijska postrojenja naj eše se nalaze u neposrednoj blizini potroša a, te predstavljaju povoljan na in zadovoljenja potreba za elektri nom i toplinskom energijom. Slika 9. Mikrokogeneracija 23
4.2. STRATEGIJE VOENJA MIKROKOGENERACIJSKOG POSTROJENJA Mikrokogeneracijsko postrojenje može biti voeno na nekoliko na ina. Da bi se dobili optimalni rezultati upotrebe postrojenja, odnodno da bi se maksimalizirale uštede energije i novca, potrebno je razmotriti i usporediti osnovne strategije voenja mikrokogeneracijskog postrojenja. Osnovne strategije: 1.) Pokrivanje toplinskog optereenja. U ovom slu aju instalirano postrojenje daje upravo onoliko topline koliko je potrebno za zadovoljavanje ukupne toplinske potrošnje objekta. Na neki na in kogeneracijska jedinica «prati» toplinsko optereenje. Pritom se eventualni višak proizvedene elektri ne energije isporu uje u mrežu, dok se eventualni manjak elektri ne energije uzima iz mreže. Strategija pokrivanja toplinskog optereenja daje najbolji omjer troškova i ušteda energije te na osnovu toga i najbolje financijske performanse. 2.) Pokrivanje potrošnje elektri ne energije. Proizvedena elektri na energija u svakom trenutku odgovara odnosno potrošnji elektri ne energije objekta kojem postrojenje služi kao izvor energije. Ukoliko je toplina proizvedena u kogeneraciji manja od toplinskog optereenja, manjak topline se nadoknauje klasi nim kotlom, dok se u slu aju viška proizvedene topline ona ispušta u okoliš. 3.) Mješovito pokrivanje optereenja. Kod mješovitog pokrivanja postrojenje jedan period vremena pokriva toplinsko optereenje, dok neki drugi period vremena pokriva elektri nu potrošnju objekta. Da li e postrojenje raditi na jedan i li drugi na in ovisi prije svega o ekonomi nosti rada postrojenja na pojedini na in. 4.) Oto ni pogon. U svakom trenutku vremena kogeneracijsko postrojenje pokriva i ukupno toplinsko optereenje i ukupnu potrošnju elektri ne energije objekta. Ovaj na in rada zahtijeva dimenzioniranje postrojenja na na in da u svakom trenutku postoji dovoljno rezerve elektri nog i toplinskog kapaciteta za slu aj vršnog optereenja. 24 Zadaa projektanta mikrokogeneracijskog postrojenja je da s jedne strane zadovolji toplinske potrebe objekta, a s druge strane da dimenzionira i optimizira sve dijelove postrojenja da bi ono radilo u prihvatljivom tehni kom i ekonomskom režimu. Sa stanovišta povoljnog režima rada postrojenja nije povoljno kada ono radi u režimu estog variranja snage ili pre estog uklju ivanja i isklju ivanja. 4.3. PRORAUNAVANJE OBJEKTA Prije odluke o primjeni kogeneracijskog sustava potrebno je provesti temeljnu analizu potrošnje proizvedenih oblika energije tijekom godine kako ne bi bila upitna gospodarska isplativost. Izborom elektri ne ili toplinske energije kao polaznice za dimenzioniranje sustava, izbor kogeneracijskog procesa može se usmjeriti na sustav s poveanim korištenjem elektri ne ili toplinske energije. No, klju ni kriterije mora biti u svakom slu aju korisna potrošnja dobivene toplinske energije. Vrsta i zahtijevani parametri toplinske energije potroša a važni su imbenici pri izboru tipa kogeneracijskog procesa. Potrebno je odrediti godišnju razinu potrebne energije, snagu i vrijeme trajanja tijekom godine (load faktor). Kogeneracijski proces je naju inkovitiji kada pokriva temeljno toplinsko i elektri no optereenje i ostvaruje što vei broj sati rada godišnje. 25 4.3.1. Satno toplinsko optere enje objekta Toplinsko i elektri no optereenje objekta funkcije su vremena. Svaki oblik energetske potrošnje, bio on potrošnja energije za grijanje, zagrijavanje sanitarne tople vode ili elektri ne energije, ima svoj dnevni, mjese ni i godišnji satni profil. U svrhu pravilnog odabira veli ine mikrokogeneracijskog postrojenja kao i pravilnog odreivanja ekonomskih i tehni kih pokazatelja potrebno je prije svega odrediti krivulju toplinskog optereenja objekta tokom godine. Da bi se što preciznije odredio dijagram toplinskog optereenja objekta potrebno je prije toga imati iznose satnih godišnjih temperatura okoline. Pod temperaturama okoline smatraju se temperature izmjerene negdje na podru ju grada u kojem se nalazi objekt kojem je potrebna mikrokogeneracija. To su dakle temperature za svaki sat tokom svih dana u periodu od godine dana, ukupno 8760 vrijednosti. Iz tih temperatura dobiva se dijagram temperature okoline tijekom perioda od
godine dana. Velike se varijacije temperatura i analogno tome varijacije toplinskog optereenja bilo kroz godinu, bilo tijekom dana, nepovoljno odražavaju na optimalan rad postrojenja. Najpovoljniji slu aj režima rada bio bi ujedna en režim rada s malim oscilacijama optereenja. Osim potrebne topline za grijanje promatrani objekt ima i potrebu za sanitarnom toplom vodom. To zna i da se toplina potrebna za zagrijavanje sanitarne tople vode mora pribrojiti toplini potrebnoj za grijanje zgrade da bi se dobilo ukupno satno toplinsko optereenje. Pretpostavljeni satni dijagram potrošnje tople vode ne razlikuje se po mjesecima niti po godišnjim dobima. Jedinu razliku od dana do dana treba uvažiti pri odreivanju satne potrošnje tijekom dana u tjednu i dana tijekom vikenda. Vikendom je potrošnja tople vode nešto vea i intenzivnija. Uzrok tome treba tražiti u injenici da stanari zgrade za vikenda ne odlaze na posao i u školu ve se duže zadržavaju kod kue. 26 Satno toplinsko optereenje za zagrijavanje potrošne tople vode mogue je dobiti iz izraza: QVT = m * cw * * T ( 3 – 1 ) gdje je: m – protok potrošne tople vode tijekom promatranog sata cw – specifi na toplina vode – gustoa vode T – razlika temperature na ulazu u spremnik tople vode i izlazu iz njega Ukupno satno toplinsko optereenje objekta dobije se zbrajanjem dijagrama satnog toplinskog optereenja za grijanje i potrošnu toplu vodu. 4.3.2. Krivulja trajanja optere enja U svrhu odreivanja veli ine odnosno u ina mikro-kogeneracijskog postrojenja potrebno je izraditi krivulju trajanja optereenja, takozvanu LDC krivulju (Load Duration Curve). LDC krivulja prikazuje broj sati tijekom promatranog perioda pri kojima toplinsko optereenje nadmašuje odreeni nivo. Pri konstrukciji LDC krivulje na X-os se nanosi broj sati, dok se na Y-os nanose iznos optereenja za pojedini broj sati u postotcima od maksimalnog toplinskog optereenja. Krivulja trajanja optereenja daje informaciju o baznim toplinskim optereenjima kao i o trajanju vršnih optereenja. Iz dobivene krivulje trajanja optereenja preliminarno se može odrediti snaga odnosno u in mikrokogeneracijskog postrojenja. 27 4.3.3. Potrebna toplina za grijanje Postupak prora una potrebne topline odnosno toplinskih gubitaka u prostoriji normiran je standardom DIN 4701-1983 koji važi i u Republici Hrvatskoj. Po navedenom standardu ukupna potrebna toplina Qpotr (standardna potrebna toplina) sastoji se iz dva dijela: 1.) Transmisijskih gubitaka QT – gubici topline kroz obuhvatne površine zidova, prozora odnosno vrata 2.) Dodatka za infiltraciju zraka QV – ventilacijski gubici Potrebna toplina za grijanje dobiva se prema jednadžbi: QT = k * A ( 12)(3–2) gdje je: A – površina graevinskih elemenata k – koeficijent prolaza topline 1 – Unutrašnja temperatura 2 – Vanjska temperatura 28 4.3.4. Potrebna toplina za zagrijavanje tople vode Maksimalna potreba za toplinom dobiva se prema Sanderu sljedeim izrazom: QVT = 10 * * n ( 3 – 3 ) gdje je:
– faktor istovremenosti n – broj stanova, tj. veli ina prostora 4.3.5. Proizvodnja elektrine energije U kogeneracijskoj tehnici za proizvodnju elektri ne energije koriste se dva tipa generatora: • sinkroni generator • asinkroni generator Ti ureaji mogu raditi: • paralelno s elektroenergetskim sustavom • izdvojeno (oto ni pogon) • izdvojeno ili paralelno s elektroenergetskim sustavom Prema elektroenergetskoj snazi kogeneratora, te uz uvažavanje karakteristika elektroenergetske mreže odreuje se i na in priklju enja kogeneracijskog postrojenja na mrežu. Na osnovu toga postrojenja možemo podijeliti na: • jedinice do 100 kVa • jedinice od 100 kVa do 5000 kVA 29 Za kogeneracijska postrojenja snaga manjih od 100 kVA u pravilu se koriste asinkroni generatori. Slika 10. Shema priklju enja kogeneratora na niskonaponsku mrežu 4.3.6. Potrošnja elektrine energije Kao i toplinsko optereenje, elektri na potrošnja zgrade je funkcija vremena. Satni profil potrošnje elektri ne energije tijekom perioda od godine dana lakše je odrediti u usporedbi s odreivanjem toplinskog optereenja. Potrošnja elektri ne energije je tijekom godine uglavnom uniformna jer ne ovisi o temperaturnim oscilacijama. To vrijedi u slu aju da objekt ne troši elektri nu energiju za grijanje ve samo za rasvjetu i pogon 30 raznih kuanskih aparata. Razlike u satnom profilu potrošnje elektri ne energije kuanstva svode se na razlike u dnevnim profilima izmeu dana u tjednu i vikenda. Takoer, postoje odreene varijacije u profilu potrošnje izmeu godišnjih doba, meutim one su obi no dovoljno male da bi se mogle zanemariti. Profil potrošnje je univerzalan jer sadrži jedini ne vrijednosti, odnosno omjer trenutne satne snage i vršne snage koju objekt potražuje tijekom svakog sata u tjednu. 4.3.7. Izraun viška odnosno manjka elektrine energije kroz godinu Determiniranjem dijagrama satnog toplinskog optereenja objekta tijekom perioda od godine dana i dimenzioniranjem postrojenja omogueno je odreivanje režima rada mikrokogeneracijskog postrojenja. Iz režima rada postrojenja to jest iz informacije o toplinskoj snazi koju postrojenje postiže tijekom pojedinog sata može se odrediti koli ina isporu ene toplinske energije tokom doti nog sata: Qt = t+1 t Ptdt ( 3 – 4 ) gdje je: Pt - snaga kojom postrojenje radi tijekom pojedinog sata t - period od sat vremena Zbrajanjem proizvodnje elektri ne energije u svakom satu kroz period od godine dana dobivamo iznos ukupno proizvedene elektri ne energije u navedenom periodu: Qe.uk.proizvedeno = Qe.proizvedeno ( 3 – 5 ) 31 Da bi se odredio višak odnosno manjak elektri ne energije u pojedinom satu potrebno je dakako poznavati i satnu potrošnju: Qe.potrošeno = t+1 t Pe.potrošenodt ( 3 – 6 ) Ukoliko je u pojedinom satu proizvedeno više energije nego što je potrošeno, višak energije koji e se isporu iti u mrežu iznosi: Qe.višak = Q e.proizvedeno – Qe.potrošeno ( 3 – 7 ) Ukoliko je pak u pojedinom satu proizvedeno manje energije nego što je potrošeno, manjak energije koji e se uzeti iz mreže iznosi: Qe.manjak = Q e.proizvedeno – Qe.potrošeno ( 3 –
Ukupna potrošnja elektri ne energije kroz period od godine dana iznosi: Qe.uk.potrošeno = Qe.potrošeno ( 3 – 9 ) Ukupni višak, odnosno manjak elektri ne energije kroz period od godine dana iznosi: Qe.uk.višak = Qe.višak ( 3 – 10 ) Qe.uk.manjak = Qe.manjak ( 3 – 11 ) 32 5. UTJECAJ NA OKOLIŠ Na temelju energetske bilance postrojenja može se procijeniti utjecaj razmatranog kogeneracijskog postrojenja na okoliš. Analiza utjecaja kogeneracijskog postrojenja na okoliš mora se izvršiti na globalnoj i lokalnoj razini s obzirom da se prednosti kogeneracije, zbog lociranosti svih procesa na jednom mjestu, mogu uo iti samo na globalnoj razini. Kogeneracijska proizvodnja ima manju ukupnu emisiju od konvencionalne proizvodnje, ali je povean lokalni utjecaj. Do toga dolazi zbog injenice da je primjenom kogeneracije, osim proizvodnje toplinske energije, na lokaciju prenesena cijelokupna proizvodnja elektri ne energije koja se ina e obavlja na nekoj udaljenoj lokaciji. Uz to, elektri na energija se proizvodi ne samo za potrebe u objektu, ve se zna ajna koli ina predaje u javnu elektroenergetsku mrežu, te je koriste ostali potroša i na razmatranom lokalitetu. Dakle, na globalnoj razini primjena kogeneracijskog procesa zbog svoje visoke u inkovitosti nosi i zna ajne ekološke prednosti. Budui je dokazano da procesi proizvodnje i potrošnje energije najviše zagauju okoliš, pred energeti are je postavljen zadatak iznalaženja mogunosti proizvodnje energije uz najvišu moguu energetsku u inkovitost, koristei pri tome ekološki prihvatljiva goriva na krajnje racionalan na in, kako bi se štetni utjecaji na okoliš sveli na minimum. Slika 11. Ekološke prednosti kogeneracije 33 6. ZAKLJUAK U ovom seminaru cilj je bio opisati kogeneracijski sustav i prednost njegova korištenja kao krajnje racionalnog i ekološki prihvatljivog na ina proizvodnje energije. Potrošnja energije je u porastu, te e uskoro biti potrebni novi izvori toplinske i elektri ne energije, kako u industriji, tako i u sektoru ope potrošnje. Stoga trenutno stanje hrvatskoga energetskog sektora predstavlja poželjni okvir za uvoenje kogeneracije. Osnovna prednost kogeneracije je poveana u inkovitost energenta u odnosu na konvencionalne elektrane koje služe samo za proizvodnju elektri ne energije te industrijske sustave koji služe samo za proizvodnju pare ili vrue vode za tehni ke procese. Pozitivni u inci kogeneracije su: manji gubici u mreži, smanjenje zagušenja u prijenosu, poveanje kvalitete napona i poveanje pouzdanosti opskrbe elektri nom energijom. Uz sve navedeno, smanjen je i štetan u inak na okoliš. Primjena kogeneracijskih sustava prvenstveno se razmatra zbog njihove visoke energetske efikasnosti, te s time povezanim ekološkim i ekonomskim prednostima. Ukupni stupanj efikasnosti ovih postrojenja u nekim slu ajevima iznosi i preko 90 posto, pa se može konstatirati da, u odnosu na tradicionalne sustave, kogeneracija predstavlja najefikasniji oblik pretvorbe energije, kako s energetske to ke gledišta tako i s to ke zaštite okoliša. Kogeneracijskom proizvodnjom smanjuje se utjecaj na okoliš, a posebno se smanjuje emisija CO2, SO2 i NOx. S obzirom da se takva postrojenja nalaze u blizini centara potrošnje, poveavaju pouzdanost opskrbe i pridonose smanjivanju gubitaka elektri ne energije u prijenosnoj i distribucijskoj mreži. Mikrokogeneracijska postrojenja polako postaju sve eši na in zadovoljenja energetskih potreba u kuanstvima, te uslužnom i industrijskom sektoru. Stru ne procjene pokazuju da e u budunosti mikrokogeneracijska postrojenja doživjeti veliki porast. Kao razlog za tako optimisti ne najave u prvi plan se stavlja sve vea efikasnost mikrokogeneracija, njihova kompaktnost, te sigurna i pouzdana opskrba elektri nom energijom. 34 Možemo rei da su mikrokogeneracijska postrojenja jedna od tehnologija budunosti, ona e svakako nai svoju širu primjenu i u Hrvatskoj ako Hrvatska odlu i
pratiti svjetske energetske trendove. Stvaranje povoljnih uvjeta za ostvarenje šire primjene u Hrvatskoj zna ilo bi u initi nekoliko stvari: ureenje zakonodavnog okvira koji e biti poticajan za tehnologije prihvatljive za okoliš pa stoga i kogeneraciju, poželjni su novi oblici financiranja, a u cijene otkupa elektri ne energije trebale bi biti uklju ene razvojna i ekološka komponenta. 35 LITERATURA: 1. Krekovi D., Petri H. (2005.): Kogeneracijski sustavi u Hrvatskoj – racionalno gospodarenje energijom, Hrvatska stru na udruga za plin, Zagreb, 36 2. Zbornik radova 22. meunarodni znanstveno-stru ni susret stru njaka za plin 3. www.mojaenergija.hr 4. www.hrote.hr 5. www.proplin.hr 6. www.cogen.org 36 POPIS SLIKA I TABLICA: Slika 1. Kogeneracija Slika 2. Usporedba kogeneracijske i konvencionalne proizvodnje energije Slika 3. Gorive elije Slika 4. Modul plinske turbine Slika 5. Parna turbina Slika 6. Udio pojedine kategorije u ukupnoj potrošnji Slika 7. Udjeli pojedinih izvora energije Slika 8. Kogeneracijski proces proizvodnje energije Slika 9. Mikrokogeneracija Slika 10. Shema priklju enja kogeneratora na niskonaponsku mrežu Slika 11. Ekološke prednosti kogeneracije Tablica 1. Pregled vrsta agregata i podru ja primjene
