Niekonwencjonalne źródła energii dla budynków
Wykład 6
Źródła kogeneracyjne
i trigeneracyjne
page 2
Definicje
Kogeneracja – CHP (Combined Heat and Power) to
skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej w jednej instalacji, przy maksymalnym ograniczeniu strat przesyłu i transformacji.
Trigeneracja - CHCP (Combined Heat, Cooling and Power) jest to efektywne wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła
i chłodu w jednej instalacji.
Podstawowymi składnikami systemu CHCP są:
• jednostka kogeneracyjna wytwarzającą jednocześnie ciepło i energię elektryczną (CHP) oraz;
• urządzenie do wytwarzania chłodu z ciepła -TDC (thermally driven chiller).
Problemy Proponowane
działania Kogeneracja Trigeneracja
Globalne ocieplenie
OZE Efektywna
energetycznie ale kosztowna
Wykorzystanie ciepła odpadowego Wzrost
zapotrzebowania na energię
Efektywność energetyczna
Wymagane stałe zapotrzebowanie na
ciepło
Zwiększenie efektywności
kogeneracji Wzrost
zapotrzebowania na chłód
Promocja kogeneracji
Główny problem:
Niskie
zapotrzebowanie na ciepło latem
Redukcja zużycia energii pierwotnej do
chłodzenia
page 4
Kogeneracja – oszczędność energii
Energia pierwotna
95 Sieć energetyczna
Gaz ziemny
65 Ciepło 60
El. 30
Kocioł konwencjonalny Odbiorca
energii
Sieć energetyczna
Gaz ziemny
100 Ciepło 60
El. 30
Jednostka kogeneracyjna
Odbiorca energii
El. 30
System konwencjonalny
% 95 56
65
30 60 =
+
= +
Gospodarka skojarzona
% 100 90
30 60 + =
=
Trigeneracja
Sieć energetyczna
Gaz ziemny
65 Ciepło 60
El. 30
Jednostka kogeneracyjna
Odbiorca energii
El. 30
CWU CO
Chłodziarka absorpcyjna
Chłód
Jednoczesna produkcja energii elektrycznej, ciepła i chłodu
Produkcja chłodu umożliwia efektywniejsze zagospodarowanie ciepła i tym samym
page 6
Wybór schematu zasilania w energię
Scentralizowany układ czy indywidualny system zaopatrzenia w ciepło ?
CHP
load 1 load 2 load 3 load i load N
heating network electricity
grid
TDC 1
TDC 2
TDC 3
TDC i
TDC N
Centralne CHP
load 1
electricity grid
TDC 1 CHP 1
load 2 TDC
2 CHP 2
load 3 TDC 3 CHP 3
load i TDC
i CHP i
load N TDC N CHP N
Lokalny
Sieć energe -
tyczna
Układ rozlicze-
niowy
Odbiory en.
elektrycznej
Odbiory ciepła Źródło
ciepła
Zasobnik ciepła (opcja)
Chodziarka sprężarkowa
Zasobnik chłodu (opcja)
Odbiory chłodu
Schematy źródeł zasilania - System podstawowy
page 8
Sieć energe -
tyczna
Układ rozlicze-
niowy
Odbiory en.
elektrycznej
Jednostka
CHP Odbiory
ciepła
Szczytowe źródło ciepła
Zasobnik ciepła
Chodziarka sprężarkowa
Zasobnik chłodu
Odbiory chłodu TDC
Układ odprowadzenia
ciepła
Schematy źródeł zasilania - System pełny
Sieć energe -
tyczna
Układ rozlicze-
niowy
Odbiory en.
elektrycznej
Jednostka
CHP Odbiory
ciepła Zasobnik
ciepła
Chodziarka sprężarkowa
Zasobnik chłodu
Odbiory chłodu Chodziarka
absorpcyjna Układ oprowadzenia
ciepła
Ze sprężarkowym urządzeniem chłodniczym bez kotła szczytowego
page 10
Sieć energe -
tyczna
Układ rozlicze-
niowy
Odbiory en.
elektrycznej
Jednostka
CHP Odbiory
ciepła
Szczytowe źródło ciepła
Zasobnik ciepła
Zasobnik chłodu
Odbiory chłodu Chodziarka
absorpcyjna Układ oprowadzenia
ciepła
System z kotłem szczytowym bez sprężarkowego urządzenia chłodniczego
Sieć energe -
tyczna
Układ rozlicze-
niowy
Odbiory en.
elektrycznej
Jednostka
CHP Odbiory
ciepła Zasobnik
ciepła
Zasobnik chłodu
Odbiory chłodu Chodziarka
absorpcyjna Układ oprowadzenia
ciepła
Bez szczytowych urządzeń grzewczych i chłodniczych
page 12
Sieć energe -
tyczna
Układ rozlicze-
niowy
Odbiory en.
elektrycznej
Jednostka
CHP Odbiory
ciepła
Szczytowe źródło ciepła
Zasobnik ciepła
Chodziarka sprężarkowa
Zasobnik chłodu
Odbiory chłodu
System CHP z kotłem szczytowym
Kogeneracja -wymiarowanie
Aby uzyskać wysoką
sprawność układów
kogeneracyjnych należy
wymiarować je ze względu na
zapotrzebowanie na ciepło
0 20 40 60 80 100
Styczeń Luty
Marzec
Kwiecień Maj Czerwiec
Lipiec Sierpień
Wrzesień Październik
Listopad Grudzień
Zapotrzebowanie na energię [GJ]
CO CWU
page 14
Trigeneracja -wymiarowanie
Wykorzystanie ciepła
odpadowego do produkcji chłodu (trigeneracja) zwiększa
efektywność układów
kogeneracyjnych
0 20 40 60 80 100
Styczeń Luty
Marzec
Kwiecień Maj Czerwiec
Lipiec Sierpień
Wrzesień Październik
Listopad Grudzień
Zapotrzebowanie na energię [GJ]
Klimatyzacja CO CWU
Aktualny stan technologii
◼ Systemy kogeneracyjne (trigeneracyjne) znajdują
obecnie powszechne zastosowanie w dużych obiektach w zakresie średnich (>100kWe) oraz dużych mocy
(>1000 kWe)
◼ Coraz bardziej powszechne stają się też jednak ostatnio małe systemy kogeneracyjne (<100 kWe)
◼ Wiele europejskich firm rozpoczęło produkcję chłodziarek absorpcyjnych małej mocy (od kilku do 30 kW)
◼ Logiczne wydaje się więc połączenie małych jednostek kogeneracyjnych z małymi chłodziarkami absorpcyjnymi
◼ Systemy mikrotrigeneracji mogłyby znaleźć powszechne zastosowanie w sektorze komunalnym
page 20
Turbiny gazowe
Chłodny czynnik jest sprężany w sprężarce, gorący zaś - rozpręża się w turbinie. Wynika stąd
konieczność podgrzewania
czynnika za sprężarką, co osiąga się najczęściej bezpośrednio w komorze spalania przez spalanie w niej odpowiedniej ilości paliwa.
Turbina gazowa, nazywana też silnikiem turbogazowym lub turbiną spalinową, jest silnikiem cieplnym, w którym procesy sprężania i rozprężania odbywają się w maszynach
wirnikowych.
page 22
Schemat działania turbiny gazowej
E - powietrze zasysane z otoczenia, C - sprężarka, G - paliwo, Ch - komora spalania, T - turbina, Ec - spaliny, A - wał odprowadzający moc mechaniczną na zewnątrz
Mikroturbina - budowa
Na rysunku mikroturbiny Capstona kolejno strzałkami pokazano obieg czynnika roboczego:
kolor niebieski - wlot powietrza zimnego do sprężarki, kolor żółty -powietrze sprężone za sprężarką,
kolor pomarańczowy - sprężone powietrze ogrzane w wymienniku regeneracyjnym (rekuperatorze) przechodzi do komory spalania,
kolor czerwony -gorące spaliny z komory spalania przechodzą do turbiny, kolor pomarańczowy - spaliny z turbiny przechodzą do rekuperatora,
page 24
Mikroturbiny
◼ Paliwa: propan, gaz ziemny, lekkie oleje, bioolej, biogaz
◼ Moc od 30 kWe
◼ Temperatura odzyskiwanego ciepła: 300°C
◼ Sprawność: elektryczna 15- 35%, cieplna 40-60%, całkowita 60-90%
powietrze spaliny
paliwo
przetwornik czestotliwosci filtr
siec energetyczna
powietrze spaliny
paliwo
przetwornik czestotliwosci filtr
siec energetyczna
Charakterystyka mikroturbiny 30 kW przy częściowym obciążeniu
page 26
Wpływ temperatury zewnętrznej na parametry mikroturbiny 100kW
Producent i model Moc (kWel)
Sprawność elektryczna
(LHV) %
Strumień spalin
(kg/s)
Predkość obrotowa
(rpm)
Masa (kg)
Wymiary (L W H, m)
Capstone C30 30 24 0.31 96000 405(1) 1.50.761.9
Capstone C65 65 28 0.49 96000 1250 1.90.762.8
IR PowerWorks MT70 70 29 0.73 44000 2200 1.81.082.2
Elliott TA-100 100 29 0.79 68000 2040 3.00.842.1
Turbec T100 100 30 0.81 70000 2000 2.90.841.9
Capstone C200 200 33 1.30 60000 2270 3.61.702.5
IR PowerWorks MT250 250 30 2.0 45000 5307 3.22.162.3
Podstawowe parametry produkowanych mikroturbin (bez odzysku ciepła)
page 29
Systemy kogeneracyjne z mikroturbinami gazowymi
◼ W chwili obecnej jedynie kilku
producentów oferuje układy
o mocy elektrycznej poniżej 100 kWel – jeden o mocy 30 kWel.
Moc [MWe] 0.03-100
Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.55
Sprawność elektryczna [%] 15-35
Sprawność cieplna [%] 40-60
Sprawność całkowita [%] 60-85
Rodzaj paliwa Gaz ziemny, oleje lekkie
Capstone C30 30kW
Capstone C65 65kW
Turbec T100 100kW
Ingersoll Rand MT70 70kW
Układy turbin gazowych
◼ układ prosty,
◼ układ z chłodnicą wstępną,
◼ układ z regeneracją,
◼ układ z chłodzeniem międzystopniowym sprężanego powietrza,
◼ układ z przegrzewem międzystopniowym rozprężanych spalin,
◼ układ z nawilżaniem powietrza (HAT),
◼ układ z wtryskiem pary do komory spalania (STIG),
◼ układ z kotłem odzyskowym,
◼ dowolna kombinacja powyższych wariantów (np. z nawilżaniem powietrza i regeneracją ciepła, lub z
chłodzeniem międzystopniowym i regeneracją ciepła).
page 31
Układ prosty z regeneracją ciepła
Obieg termodynamiczny
Charakterystyka
◼ Cykl otwarty z czynnikiem gazowym
◼ Opisywany przez cykl Joula – Braytona z wewnetrzym spalaniem i regeneracją
1-2 sprężanie izentropowe
• sprężanie powietrza zewnętrznego 2-3 ogrzewanie izobaryczne
• przepływ sprężonego powietrza przez regenerator
• przejmowanie ciepła ze spalin 3-4 spalanie izobaryczne
• spalanie paliwa gazowego lub ciekłego
4-5 rozprężanie izentropowe
• część pracy wytworzonej przez turbinę jest używana do napędu sprężarki
5-6-1 izobaryczne chłodzenie
• część ciepła zużywana do
podgrzania powietrza za sprężarką
page 33
Układ gazowo – parowy (kombinowany)
Układ Chenga
page 35
Układ IGCC
Gazowe silniki tłokowe - klasyfikacja
Obiegi termodynamiczne: - z zapłonem iskrowym cykl Otto - zapłon samoczynny cykl Diesla
Liczba cykli: - dwu-, cztero- i sześciosuwowe
Prędkość obrotowa: - wolnoobrotowe (60 – 200 obr/min) - średnioobrotowe (300 – 1000 obr/min) - szybkoobrotowe (pow. 1000 obr/min)
Paliwo: - benzyna
- gaz ziemny
- gaz wysypiskowy i biogaz - olej napedowy
Najlepsze dla stacjonarnego wytwarzania energii - silniki z zapłonem
page 37
Idealny obieg Otta
1 Wprowadzenie mieszanki paliwo – powietrze 2-3 izochoryczne spalanie paliwa 1-2 Izentropowe sprężanie mieszanki 3-4 izentropowe rozprężanie spalin 2 Zapłon iskrowy 4-1 izochoryczne usuwanie spalin
Idealny obieg Diesla
1 Wprowadzenie powietrza
1-2 Izentropowe sprężanie powietrza wtrysk paliwa
2 Zapłon mieszanki
2-3 izobaryczne spalanie paliwa 3-4 izentropowe rozprężanie spalin 4-1 izochoryczne usuwanie spalin
page 39
Sprawność silników tłokowych
Gazowe silniki tłokowe
W gazowych silnikach tłokowych praca
mechaniczna silnika zamieniana jest na prąd elektryczny, natomiast wytwarzane ciepło
odzyskiwane jest na kilku poziomach temperatury.
Wyróżnić tu można:
◼ niskotemperaturowe źródła ciepła (układ
chłodzenia silnika oraz układ chłodzenia oleju t <
90oC),
◼ wysokotemperaturowe źródło ciepła (spaliny wylotowe t = 380-550oC)
page 42
Bilans energii silnika gazowego
Odzysk ciepła z silnika gazowego
page 44
Małe systemy kogeneracyjne z silnikami tłokowymi
◼ W chwili obecnej około 80
producentów oferuje moduły o mocy nie
przekraczającej 50 kWel, głównie z Niemiec
i Japonii.
Moc [MWe] 0.005-2 (6)
Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.5 - 0.75
Sprawność elektryczna [%] 25-45
Sprawność cieplna [%] 40-60
Sprawność całkowita [%] 70-95
Rodzaj paliwa Różnego rodzaju paliwa gazowe oraz płynne
Senertec DACHS 5.5kW
KW-Energie Technik 8kW PowerTherm®5-20kW
Avesco Compact 50kW ecopower e3.0 3kW
Tedom S8 8kW Fischer “Mini” 4kW
Ogniwa paliwowe
◼ W ogniwach paliwowych następuje bezpośrednia konwersja energii chemicznej paliw do postaci
energii elektrycznej.
◼ Do ogniwa doprowadzany jest wodór i tlen, które reagują ze sobą, w obecności elektrolitu. Produktami procesu są woda, prąd stały oraz ciepło.
◼ Teoretyczna sprawność konwersji energii
chemicznej na elektryczną w ogniwie paliwowym
wynosi 100%. W praktyce występujące straty energii (reformer, falownik) pozwalają na uzyskanie
sprawności ok. 45%
page 46
Ogniwa paliwowe
www.ogniwa-paliwowe.pl
Rodzaje ogniw paliwowych
page 48
Systemy kogeneracyjne z ogniwami paliwowymi - PEMFC i SOFC
Ogniwa paliwowe
osiągają bardzo wysoką sprawność elektryczną rzędu 50%, przy bardzo niskim poziomie emisji.
Wadą tych urządzeń jest duża wrażliwość na
zanieczyszczenia paliwa wiążąca się z
koniecznością jego kosztownego
uzdatniania. Na
obecnym etapie ogniwa paliwowe charakteryzują się bardzo wysokim
kosztem inwestycyjnym oraz eksploatacyjnym, związanym z ich
awaryjnością. Nadal nie są dostępne układy produkowane seryjnie.
Moc [MWe] 0.001-0.4
Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.8-1.0
Sprawność elektryczna [%] 35-55
Sprawność cieplna [%] 20-50
Sprawność całkowita [%] 55-90
Rodzaj paliwa Wodór, metanol, metan, gaz ziemny
UTC PureCell™ 200kW Electrocell ECOGEM 5 5kW (prototype)
Hydrogenics H2X®506 Fuel Cell Stack 8kW 48V DC
IdaTech ElectraGen™
XTR 5kW System
(48V DC) Ceramic Fuel Cells Ltd. 2kW
Hexis Galileo 1000N 1kW Wärtsilä WFC 20kW
Silnik Stirlinga
Silnik Stirlinga przetwarza ciepło w energię mechaniczną i jest silnikiem zewnętrznego spalania, dzięki czemu może być zasilany dowolnymi palnymi rodzajami paliw (np.
biomasą, biopaliwami). Można tu również
wykorzystać ciepło uzyskane z kolektorów
słonecznych, a nawet (w małych modelach,
zabawkach) ciepło ludzkiej dłoni.
page 50
Der Flachplatten-Stirlingmotor nach Kolin
Płaski silnik Stirlinga według Kolin’a
Silniki Stirlinga
◼ Paliwa: dowolne.
◼ Temperatura odzyskiwanego ciepła: 70-90°C
◼ Sprawność: elektryczna 20-40%, cieplna 40-60%, całkowita 65-95%
paliwo
ciepło
energia elektryczna
page 52
Cykl cieplny Stirlinga
Animiertes Stirlingdiagramm vom BHKW-Infozentrum
page 54
Stan zaawansowania technologii
Obszary zastosowań
silniki modelowe i edukacyjne chłodziarki
sztuczne serce
proste silniki dla krajów rozwijających się pompy ciepła typu Vuilleumier
napęd generatorów górnictwo
lokomotywy
do 200 kW napęd okrętów i łodzi podwodnych
napęd ciężarówek i autobusów
od 15 kW do 15 kW od 5 kW od 250 kW do 250 kW
podróże kosmiczne do 5 kW
prototypy, instalacje pilotażowe
Poziom zaawansowania technologii
serie próbne
badania teoretyczne prace studyjne
produkcja seryjna badania praktyczne
X X
X X X X X X
X X X
X X
X
(X)
X
Systemy kogeneracyjne z silnikami Stirlinga
◼ Na obecnym etapie technologia jest ciągle rozwijana, dlatego jej
niezawodność jest bardzo
ograniczona. Na rynku dostępnych jest jedynie kilka (5 – 6 typów
urządzeń.
Moc [MWe] 0.003-0.1
Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.2 - 0.6
Sprawność elektryczna [%] 10-28
Sprawność cieplna [%] 40-80
Sprawność całkowita [%] >90
WhispergenTMmicroCHP Sunmachine® Pellets 3kW/10.5kW
Flexgen G38 38kW
HRe®Boiler: 1kW free piston Stirling (microgen + Dutch consortium)
page 56
Systemy kogeneracyjne z układami ORC (Organic Rankine Cycle)
Systemy kogeneracyjne oparte na procesie ORC działają na tej samej zasadzie co klasyczne obiegi parowe.
Różnica polega na zastosowaniu innego czynnika roboczego, którym zamiast pary wodnej jest czynnik organiczny (węglowodory, czynniki chłodnicze lub olej silikonowy)
charakteryzujące się niższą temperaturą parowania.
Enefcogen HT scroll turbine and prototype
Enefcogen 30kW System ElectraTherm GreenMachine 50kW
Moc [MWe] 0.001- pow. 0.4
Wskaźnik mocy elektrycznej do mocy cieplnej 0.2 -0.4
Sprawność elektryczna [%] 6 - 20
Sprawność cieplna [%] 20-70
Sprawność całkowita [%] 75-85
Rodzaj paliwa Bez ograniczeń
Jako maszyny robocze mogą być używane turbiny osiowe lub odśrodkowe, silniki śrubowe
i tłokowe oraz
rozprężacze spiralne.
Klasyczny cykl Rankine’a
Cykl Rankine’a składa się z 4 procesów:
◼ Proces 1-2: Czynnik roboczy
pompowany jest z niskiego do wysokiego ciśnienia przy małym nakładzie energii.
◼ Proces 2-3: Czynnik pod wysokim ciśnieniem jest ogrzewany w kotle do stanu pary suchej nasyconej.
◼ Proces 3-4: Para sucha nasycona jest rozprężana w turbinie generując energię elektryczną. Powoduje to obniżenie
temperatury i ciśnienia pary oraz częściowa kondensację.
◼ Proces 4-1: Para mokra kierowana jest do skraplacza, gdzie jest schładzana pod stałym ciśnieniem i skroplona do stanu cieczy.
page 58
Równania
Q Strumień ciepła
m Strumien masy
W Moc mechaniczna
ηtherm Sprawność termodynamiczna
ηpump,ηturb Sprawność izentropowa sprężania (pompa) i rozprężania (turbina) h1,h2,h3,h4 Entalpia właściwa w punktach wskazanych na wykresie T-s
h4s Końcowa entalpia właściwa cieczy, jeżeli rozprężanie było izentropowe p1,p2 Ciśnienie przed i po procesie pompowania (sprężania)
Gdzie:
Cykl Organiczny Rankine’a - ORC
ORC realizuje klasyczny cykl Rankine’a przy wykorzystaniu zamiast wody organicznych czynników roboczych (czynniki chłodnicze, węglowodory, oleje termiczne itp…) przy niskim poziomie temperatury.
• Zakres wydajności: 1 kW – 25 Mwel
• Nie wymaga dużej pojemności do odparowania czynnika
page 60
ORC a konkurencja
Sprawność ogólna procesu
Teoretyczna sprawność (Carnota)
Główne zastosowania:
Odzysk ciepła odpadowego z innych procesów;
Wykorzystanie ciepła geotermalnego
Systemy CHP opalane biomasą
Wykorzystanie energii słonecznej w układach CHP
Niska sprawność systemu:
Niska temperatura zasilania → niska sprawność procesu
Temperatura ciepła usuwanego jest krytyczna dla sprawności procesu
page 62
Czynniki robocze
Zastosowania
różnych czynników roboczych – dane źródłowe
page 64
Usprawnienie procesu
Regeneracja ciepła:
• Mniejsze straty egzergetyczne dzięki wyższej temperaturze w parowaczu
• Mniejszy stopień rozprężania w turbinie – brak kondensacji
• Para po turbinie wciąż przegrzana
• Schładzanie pary 5→6 przy jednoczesnym wstępnym podgrzewaniu płynu przed parowaczem
Silnik tłokowy / Mikroturbina
Brak Paliwa
WYMIENNIK CIEPŁA
CYKL ZAMKNIĘTY
BRAK SPALIN
BRAK EMISJI
GENE RATOR
Paliwo SPALANIAKOMORA
GAZ WYSOKO TEMPERA
TUROWY
CIEPŁO ODPA DOWE
EMISJA GENE
RATOR
ORC
page 66
page 68
ZASTOSOWANIA
Energia odnawialna Zero-emisyjny generator energii
elektrycznej
Silniki stacjonarne
Wykorzystanie ciepła odpadowego do produkcji energii:
• na własne potrzeby,
• na eksport do sieci.
Gaz wysypiskowy
• Wykorzystanie ciepła odpadowego z silników, lub
• Odzysk ciepła z pochodni.
Pochodnie petrochemia
• Małe systemy do napowietrzania
• Większe systemy do zasilania sieci.
Procesy przemysłowe
• Petrochemiczny
• Farmaceutyczny
• Wytwórczy (szklarski, cementowy. Ceramiczny,..)
Energia słoneczna
• Małe systemy z zasobnikami ciepła
• Większe systemy do zasilania sieci.
TURBINY
• Podniesienie sprawności elektrycznej poprzez
zastąpienie kotła odzysknicowego.
KOGENERACJA - CHP
• Małe systemy (50-200 kW) dla biurowców, hoteli …
• Większe systemy dla centów handlowych, sportowych…
Kuchnie i piekarnie
• Fast food – pracujące w trybie ciągłym
• Piekarnie i wytwórnie gotowych dań do podgrzania.
Zastosowania a media zasilające
page 70
Podstawowe schematy systemów ORC
Podstawowe schematy systemów ORC
page 72
ORC zasilane biomasą
Dane techniczne systemów TURBODEN
page 75
Przegląd dostępnych technologii - chłodziarki absorpcyjne
◼ Sprężarka mechaniczna jest tu zastąpiona sprężaniem termo- chemicznym (układ absorber-warnik)
◼ Zamiast energii elektrycznej chłodziarkę napędza ciepło
◼ Możliwość wykorzystania ciepła odpadowego o niskiej temperaturze
◼ Możliwość współpracy z siecią ciepłowniczą
◼ Niewielka ilość części ruchomych:
niezawodność
◼ Naturalne czynniki chłodnicze: woda, amoniak
◼ Wydajność chłodnicza
COP = 0,5-0,8
Dwustopniowe COP = 1,1-1,2 (wyższa temperatura zasilania)
Chłodziarki sprężarkowe COP = 2,5- 4,5
Chłodziarki małej mocy zasilane ciepłem – absorpcyjne
Bromolitowe (czynnik roboczy - woda)
◼ Duży wybór urządzeń pow. 100 kW
◼ Większość urządzeń jednostopniowych
◼ Poniżej 30 kW dostępnych 4 – 5 urządzeń
◼ Niestety Sonnenklima i Rotartica zakończyły produkcję
Moc nominalna 4,5 - 6000 kW Współczynnik wydajności
chłodniczej
0,70 - 0,8 Temperatura wody zasilającej 85 - 130°C Temperatura wody powrotnej > 70°C
Woda chłodząca 30 - 35°C
Woda lodowa zasilenie 6 - 7°C
Czynnik chłodniczy Woda
Czynnik roboczy Bromek Litu
Yazaki WFC-SC5
17.5 kW EAW 15kW
Sonnenklima Suninverse 10kW
Rotartica 4.5kW
Broad BCT 16kW
page 78
Chłodziarki małej mocy zasilane ciepłem – absorpcyjne
Amoniakalne (czynnik roboczy - amoniak).
◼ Brak ryzyka krystalizacji
◼ Wysokie ciśnienie pracy (8 - 15 bar)
◼ Możliwe schłodzenie poniżej O °C przy wysokiej temperaturze zasilania
◼ Rozpowszechnione duże systemy zasilane bezpośrednio gazem
◼ Małe urządzenia w fazie prototypów
Pink /SolarNext 12kW
Robur 17kW
AoSol 8kW (prototype)
Moc nominalna 15 - 2500 kW
Współczynnik wydajności
chłodniczej 0.6 - 0.7
Woda chłodząca 30 - 35°C
Woda lodowa zasilenie -60 - 0°C Temperatura wody zasilającej 120 - 135°C
Czynnik chłodniczy Amoniak
Czynnik roboczy Woda
Chłodziarki małej mocy zasilane ciepłem – adsorpcyjne
◼ Cykliczna praca
◼ Brak ryzyka krystalizacji
◼ 4 produkty i 2 prototypy
obecne na rynku SorTech 8&15kW
Invensor 7&10kW
China 10kW
ECN 2.5kW (prototype) Moc nominalna 2 - 450 kW
Współczynnik wydajności chłodniczej
0.2 - 0.7 Temperatura czynnika gorącego 60 - 90°C
Woda chłodząca 30 - 35°C Woda lodowa zasilenie 6 - 7°C
Czynnik chłodniczy Woda
Adsorbent Silikażel
page 80
Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji
Koszty inwestycyjne
3 1
*
2)
( P k P k
I = k +
Koszt k1 k2 k3 Moc P Koszt jedn. Zakres CHP - inwestycyjny 4361 -0,33 0 kWel EUR/ kWel 5 – 2000 kWel TDC - inwestycyjny 7435 -0,459 47,5 kWC EUR/ kWC 7,5 – 1600 kWC CHP - eksploatacja 5,88 -0,27 0 kWel Cent/ kWel 5 – 2000 kWel
Dla wyznaczenia jednostkowych kosztów inwestycyjny można posłużyć się równaniem:
gdzie:
page 82
Oszczędność energii pierwotnej
Oszczędność energii pierwotnej została zdefiniowana jako:
Gdzie: PES – oszczędność energii pierwotnej, PE – energia pierwotna, Indeksy: ref – system referencyjny, CHCP – skojarzona produkcja
ciepła, energii elektrycznej i chłodu, CHP – skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciepła, CCP – skojarzona produkcja energii elektrycznej i chłodu.
Przyjęto następujące założenia: COP dla chłodziarki absorpcyjnej – 0,4 - 0,8, EER
= 3,5 dla chłodziarki sprężarkowej, sprawność elektryczna układu CHP – 0,1 - 0,4, sprawność całkowita układu CHP – 0,85, sprawność kotła gazowego – 0,92, straty na układzie odprowadzenia ciepła – 0,02, współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej z systemu - 3,0, dla gazu 1,1.
ref
CHCP ref
PE PE PES PE −
=
Oszczędność energii pierwotnej - CHP
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Oszczędność energii pierwotnej
Sprawność elektryczna CHP
page 84
Oszczędność energii pierwotnej - CCP
-250%
-200%
-150%
-100%
-50%
0%
50%
100%
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Oszczędność energii pierwotnej
Sprawność elektryczna CHP
COP = 0,4 COP = 0,5 COP = 0,6 COP = 0,7 COP = 0,8
Oszczędność energii pierwotnej - CHCP
-150%
-100%
-50%
0%
50%
100%
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Oszczędność energii pierwotnej
Sprawność elektryczna CHP
COP = 0,4 COP = 0,5 COP = 0,6 COP = 0,7 COP = 0,8
page 86
Korzyści ekonomiczne
Potencjał oszczędności CHCP
page 88
Podsumowanie
◼ Poważną barierą powszechnego stosowania systemów kogeneracji w budynkach w Polsce są skomplikowane procedury związane ze sprzedażą nadmiaru wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci i uzyskaniem świadectw pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji.
◼ Technologie trigeneracyjne małej skali są już dostępne na rynku. Jednak ze względu na niewielkie doświadczenia związane przede
wszystkim z integracja poszczególnych elementów systemów ich rozpowszechnianie jest ciągle
utrudnione.
Zastosowanie układów trigeneracyjnych w budynkach biurowych - studium przypadku.
◼ Nowoczesne budynki biurowe wymagają utrzymania komfortu cieplnego w ich wnętrzach w okresie całego roku - konieczna klimatyzacja.
◼ Wymagania zrównoważonego rozwoju to minimalizacja zużycia energii i wykorzystanie energii odnawialnych.
◼ Konkurencja na rynku nieruchomości wymaga
minimalizacji łącznych kosztów wszystkich nośników energii
dostarczanych do tych budynków.
page 90
Symulacja komputerowa - podstawowe narzędzie przy projektowaniu nowoczesnych systemów zaopatrzenia w energię
◼ Podejście tradycyjne - ograniczenie strat energii zimą i zysków latem przez
zastosowanie możliwie dobrej izolacji i energooszczędnych urządzeń. Obliczenia statyczne dla warunków ekstremalnych.
◼ Podejście nowoczesne - całoroczna analiza energetyczna uwzględniająca dynamikę
budynku oraz zmienność temperatury zewnętrznej oraz zyski wewnętrzne.
Budynek Tulipan
◼ Budynek składa się z 8 stref, w tym 6 stref o kontrolowanych parametrach wewnętrznych (temperatura i wilgotność).
◼ Łączna powierzchnia - 10 059 m2
◼ Kubatura - 46 000 m3
◼ Zapotrzebowanie na :
ciepło - 1240 kW
chłód - 980 kW
energię elektryczną - 650 kW
page 92
System zaopatrzenia w energię
◼ Tradycyjny:
Ciepło - sieć miejska lub kotłownia gazowa
Chłód - agregaty sprężarkowe
Energia el. - zakład energetyczny.
◼ Proponowany:
Ciepło - odzysk z silnika gazowego 230 kW, kotłownia gazowa szczytowa, odzysk ciepła z wentylacji, wymiennik gruntowy dla
powietrza wentylacyjnego.
Chłód - chłodziarka absorbcyjna 140 kW + agregaty sprężarkowe szczytowe
Energia el. - generator elektryczny 150 kW + zakład energetyczny.
System zaopatrzenia w energię - schemat
Silnik gazowy
Kotły gazowe szczytowe
Chłodnia wentylatorowa
Chłodziarka
absorpcyjna Chłodziarki
sprężarkowe Zasobnik chłodu
Instalacja ogrzewcza
Instalacja chłodnicza Zasobnik
ciepła
Wymiennik i zasobnik
c.w.u.
Czerpnia
Wyrzutnia powietrza
Chłodnia
wentylatorowa Chłodnia wentylatorowa
Sieć gazowa Sieć elektro- energetyczna
Zimna woda Generator
energii elektrycznej
page 94
Symulacja programem ESPr
Profile obciążeń: energia elektryczna
Tygodniowy profil obciążenia energetycznego
0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200
00:00:00 05:00:00
10:00:00 15:00:00
20:00:00 01:00:00
06:00:00 11:00:00
16:00:00 21:00:00
02:00:00 07:00:00
12:00:00 17:00:00
22:00:00 03:00:00
08:00:00 13:00:00
18:00:00 23:00:00
04:00:00 09:00:00
14:00:00 19:00:00
00:00:00 05:00:00
10:00:00 15:00:00
20:00:00 01:00:00
06:00:00 11:00:00
16:00:00 21:00:00 Godziny
Obciążenie
Symulacja programem ESPr
Profile obciążeń: ciepło/ chłód - zima
Zapotrzebowanie na moc cieplną podczas najzimnieszego tygodnia0 100 200 300 400 500 600 700 800
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 145 151 157 163
Moc cieplna [kW]
Ogrzewanie centrale Ogrzewanie strefy Ogrzewanie całość
page 96
Symulacja programem ESPr
Profile obciążeń: ciepło/ chłód - lato
Zapotrzebowanie na moc chłodniczą / cieplną podczas najcieplejszego tygodnia
0 100 200 300 400 500 600 700 800
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166
Czas [h]
Moc chłodnicza / cieplna [kW]
Ogrzewanie centrale Chłodzenie centrale Chłodzenie strefy Chłodzenie całość
Symulacja - system energetyczny wymiennik gruntowy
Temperatura powietrza zewnętrznego i za wymiennikiem gruntowym podczas najcieplejszego tygodnia
0 5 10 15 20 25 30 35
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97
Temperatura [C]
Temperatura powietrza zewnętrznego Temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym
Lato Zima
Temperatura powietrza zewnętrznego i za wymiennikiem gruntowym podczas najzimniejszego tygodnia
-20 -15 -10 -5 0 5 10
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166
Temperatura [C]
Temperatura powietrza zewnętrznego Temperatura powietrza za wymiennikiem gruntowym
page 98
Symulacja - system energetyczny - zima
Zapotrzebowanie na moc cieplną i moc cieplna wymiennika gruntowego podczas najzimnejszego tygodnia
0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 700,0 800,0
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166
Czas [h]
Moc cieplna [kW]
Ogrzewanie centrale
Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania Moc cieplna kanału wykorzystana do ogrzewania
Symulacja - system energetyczny - zima
Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku, moc cieplna silnika gazowego i zapotrzebowanie na moc cieplną ze źródła szczytowego podczas najzimniejszego tygodnia
0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 700,0 800,0
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151 156 161 166
Moc cieplna [kW]
Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania Moc cieplna silnika/turbiny
Zapotrzebowanie na ciepło ze źródła szczytowego
