envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa








25Rozpoczynamy krótki cykl poświęcony technologii kogeneracyjnej. To wciąż nowość na naszym rynku, do której podchodzi się z dużym zainteresowaniem, a zarazem – ze względu na koszty inwestycyjne – z dystansem. Zapowiadany wzrost cen energii elektrycznej działa na korzyść kogeneracji, choć oczywiście zmiana uwarunkowań finansowych nie gwarantuje opłacalności inwestycji. W każdym przypadku konieczna jest szczegółowa jej analiza. Zacznijmy zatem od wyjaśnienia podstawowych pojęć.

Są trzy zasadnicze prawa kogeneracji, które trzeba „mieć w tyle głowy”, zajmując się tą technologią:

  • moduł kogeneracyjny musi pracować jak najdłużej w ciągu roku, żeby jak najwięcej „zarobić”;
  • moduł pracuje tak długo dopóki jest chłodzony;
  • niewykorzystywanie ciepła z kogeneracji powoduje nieopłacalność inwestycji. 

Oczywiście prawa te należy jeszcze uzupełnić wiedzą szczegółową.

Budowa modułów kogeneracyjnych
Moduł kogeneracyjny składa się z gazowego silnika spalinowego zasilanego gazem ziemnym (najczęściej) oraz z generatora elektrycznego. Silnik gazowy, spalając gaz, wytwarza energię mechaniczną oraz ciepło. Taki silnik różni się od zwykłego silnika głównie zastosowanymi materiałami mającymi kontakt ze spalanym gazem. Gaz ziemny ma wyższą temperaturę spalania niż benzyna czy olej opałowy, dlatego też wymagania materiałowe w spalinowych silnikach gazowych są wyższe.
Energia mechaniczna wytwarzana przez silnik gazowy zamieniana jest za pomocą generatora na energię elektryczną, przy czym są dwa rodzaje generatorów:

  • generator asynchroniczny, który wymaga do produkcji energii elektrycznej zasilania prądem z sieci, co zapewnia synchronizację z częstotliwością panującą w sieci;
  • generator synchroniczny, który może pracować niezależnie od sieci energetycznej. 

O ile wyprodukowaną energię elektryczną można wysyłać siecią energetyczną na większe odległości, o tyle energię cieplną można spożytkować tylko lokalnie.
Moduły kogeneracyjne do mocy elektrycznej ok. 0,5 MW produkowane są jako kompaktowe urządzenia, które w dźwiękochłonnej obudowie, na ramie montażowej, mają zabudowane takie elementy, jak:

  • armatura gazowa;
  • filtr powietrza; 
  • mikser do przygotowania mieszanki palnej;
  • gazowy silnik spalinowy;
  • generator elektryczny;
  • wymienniki ciepła oddające ciepło od cieczy chłodzącej silnik (glikole), oleju silnikowego oraz spalin do wody grzewczej ogrzewającej obiekt – wymiennik przekazujący ciepło ze spalin może być w wykonaniu kondensacyjnym;
  • układ sterujący pracą urządzenia (m.in. silnik, synchronizacja z siecią, układ bufora);
  • tłumik spalin i ewentualnie powietrza wylotowego. 

26Dobór modułu a opłacalność inwestycji
Wracając do pierwszego prawa kogeneracji, moduł kogeneracyjny nie jest urządzeniem tanim i musi na siebie zarobić. Im dłużej w ciągu roku urządzenie pracuje, tym szybciej się spłaci. Jak zatem dobrać odpowiedni moduł? – Pomocne w tym będą poniższe wskazówki.

Przeciętny rok ma: 365 x 24 = 8760 godzin. Gdy eksploatuje się kogenerator, istotne jest, aby pracował on jakieś 60008000 godzin w roku. Skoro sensowne wykorzystanie ciepła możliwe jest tylko lokalnie, w związku z tym moduł dobiera się tak, by całe ciepło wyprodukowane przez kogenerator możliwie najdłużej zużywane było w obiekcie, gdzie zainstalowane jest urządzenie. I tutaj z pomocą przychodzi nam uporządkowany wykres rocznego poboru energii cieplnej przez obiekt. Wykres powstaje w ten sposób, że mierzy się, jaką moc grzewczą pobiera obiekt oraz przez ile godzin w roku ją pobiera, a następnie nanosi te informacje na oś czasu, np. 100% mocy grzewczej przez 20 godzin w roku, 90% przez 150 godzin itd. W ten sposób powstaje uporządkowany wykres poboru mocy przez ogrzewany obiekt. Ten wykres pokazuje nam bardzo ciekawą rzecz (to, o czym wszyscy w branży dobrze wiedzą), a mianowicie, że 100% mocy grzewczej potrzebne jest tylko przez bardzo krótki okres sezonu grzewczego. Jeżeli więc zależy nam, by kogenerator mógł pracować maksymalnie długo, bez tracenia ciepła do otoczenia, musimy zredukować jego moc grzewczą do 10-20% mocy ogrzewanego obiektu (rys. 3).

! Dla każdego obiektu uporządkowany wykres rocznego poboru energii będzie wyglądał inaczej, ale myśląc o doborze kogeneratora, powinniśmy brać pod uwagę urządzenie, które pokrywa 10-20% zapotrzebowania na ciepło. Większe pokrycie mocy grzewczej możliwe jest w odniesieniu do obiektów typu basen czy „konsumujących” ciepło technologiczne, które dają gwarancję równomiernego poboru ciepła przez znaczną część doby lub nawet całą.

27Pamiętajmy o przeglądach
Skoro kogenerator pokrywa 10-20% mocy grzewczej obiektu, to jaką moc powinno mieć główne źródło ciepła: 80, 90, 100%? – Praktyka pokazuje, że najbezpieczniej jest przyjąć 100% mocy grzewczej obiektu. Dlaczego? Otóż kogenerator jest urządzeniem z częściami ruchomymi, które wymaga planowego przeglądu co kilka tysięcy godzin pracy. Może się zdarzyć, że planowy przegląd wypadnie akurat w środku największego mrozu. W zależności od zakresu przegląd będzie trwał od kilku do kilkunastu godzin.

W tym miejscu należy wspomnieć również o tym, że planowane przeglądy wiążą się z wymianą części i to stanowi dodatkowy koszt eksploatacyjny, którego inwestor musi być świadomy. Licząc w najprostszy sposób okres zwrotu z inwestycji w przypadku kogeneratora, musimy wziąć pod uwagę, ile w danym okresie trzeba będzie zapłacić za energię elektryczną, ciepło do ogrzewania oraz serwis urządzeń. Taki bilans trzeba zrobić w dwóch wariantach: z i bez kogeneratora. Jeżeli okaże się, że w wariancie z kogeneratorem koszty pozyskania energii elektrycznej i cieplnej będą niższe, to dzieląc ten coroczny zysk przez cenę urządzenia wraz z montażem i planownymi przeglądami, dowiemy się, po ilu latach urządzenie się spłaci. Rosnące w ostatnim okresie ceny energii elektrycznej działają na korzyść kogeneracji. Skąd dokładnie bierze się zysk – o tym powiemy jeszcze w dalszej części artykułu.

Gdy ważna jest pewność zasilania
Oczywiście, oprócz zysku, dla inwestorów istotne mogą być także inne kwestie. Wyobraźmy sobie zimę, hotel, za oknem śnieżyca, a w hotelu komplet gości. Warunki atmosferyczne spowodowały oblodzenie sieci energetycznej w okolicy i w efekcie jej zerwanie. Nie ma prądu, a „Energetyka” mówi, że naprawa potrwa dwie doby. Dobrze byłoby więc mieć urządzenie, które chociaż częściowo pokryje zapotrzebowanie na energię elektryczną, w takim zakresie, w jakim będzie to niezbędne np. do zasilania kotłowni i wybranych priorytetowych obwodów. W takim przypadku kogenerator powinien być wyposażony w generator synchroniczny.
! Dobierając moduł kogeneracyjny do danego obiektu, przede wszystkim musimy wiedzieć, jakie zadanie ma on spełniać. Czy jego praca ma być zależna od ciepła, czy od prądu?

Najczęściej moduł kogeneracyjny pracuje głównie na pokrycie potrzeb cieplnych. Wyprodukowane ciepło zużywane jest całkowicie w obiekcie. Priorytetem jest ekonomiczna praca urządzenia. Wyprodukowana energia elektryczna zużywana jest częściowo lub całkowicie w obiekcie, a ewentualne nadwyżki oddawane są do sieci energetycznej. Jest to tzw. praca według ciepła.

28Praca według prądu stosowana jest wtedy, gdy w obiekcie występuje deficyt energii elektrycznej, np. zakład produkcyjny ma przyłącze energetyczne o zbyt słabej mocy. W takim przypadku priorytetem jest zabezpieczenie wystarczającej mocy elektrycznej dla obiektu. Wyprodukowana energia cieplna będzie w miarę możliwości zużywana w obiekcie, a ewentualne jej nadwyżki tracone będą na chłodnicy awaryjnej. Często w takich przypadkach inwestorowi lub zakładowi energetycznemu zależy na tym, by energii elektrycznej nie oddawać do sieci. Jest na to rozwiązanie. Po doposażeniu kogeneratora w tzw. „moduł pracy zerowej” (moduł automatyki) będzie on „pilnował”, by energia elektryczna z obiektu nie wypływała na zewnątrz. Gdy będzie to konieczne, moc urządzenia zostanie zmodulowana.

29Praca kogeneratora a sieć energetyczna
Jeżeli wkroczyliśmy w tematy związane z energetyką, to kolejnym zagadnieniem, które należy wyjaśnić, jest sposób pracy kogeneratora w odniesieniu do sieci elektroenergetycznej.

Praca synchroniczna z siecią elektroenergetyczną. W tym układzie moduł kogeneracyjny podczas swojej pracy w taki sposób synchronizuje obroty silnika, by częstotliwość jego generatora była w jednej fazie z częstotliwością prądu w sieci. Oprócz zaopatrywania obiektu w energię elektryczną i cieplną, kogenerator odprowadza nadwyżkę energii elektrycznej (jeżeli taka jest) do sieci.

Praca niezależna od sieci elektroenergetycznej. Kogenerator pracuje wyłącznie na potrzeby instalacji wewnętrznej i jest elektrycznie odłączony od zewnętrznej sieci energetycznej. W tym układzie możliwe są dwa warianty pracy kogeneratora: praca zastępcza (awaryjna) lub praca wyspowa.

Praca zastępcza (awaryjna). W normalnych warunkach kogenerator działa w zależnym od ciepła trybie pracy synchronicznej z siecią elektroenergetyczną. W razie awarii sieci kogenerator przejmuje zasilanie elektryczne wybranych priorytetowych odbiorników, a ewentualne nadwyżki ciepła tracone są na chłodnicy awaryjnej (priorytetem jest bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej). Sekwencja przejmowania zasilania obiektu wygląda tak, że najpierw obiekt (wraz z kogeneratorem) odłączany jest od sieci, a potem następuje stopniowe (najlepiej trzystopniowe) załączanie obwodów priorytetowych. Łączna moc obwodów priorytetowych nie może przekroczyć 90% mocy kogeneratora. Pozostałe 10% to rezerwa na włączanie odbiorników indukcyjnych z dużym prądem rozruchowym. Przykładowa sekwencja przełączenia kogeneratora na pracę zastępczą mogłaby być następująca:

  • awaria sieci zewnętrznej,
  • kogenerator odłącza cały obiekt od sieci zewnętrznej oraz siebie od sieci wewnętrznej (na całym obiekcie nie ma prądu),
  • zwłoka (jeśli jest dopuszczalna) na ew. ponowne włączenie sieci energetycznej,
  • włączenie pierwszego obwodu priorytetowego (30% mocy kogeneratora),
  • odczekanie na stabilizację parametrów pracy (ok. 1-5 min. w zależności od charakteru obiektu),
  • włączenie drugiego obwodu priorytetowego (30% mocy kogeneratora), odczekanie na stabilizację parametrów pracy, 
  • włączenie trzeciego obwodu priorytetowego (30% mocy kogeneratora). 

30Praca wyspowa. To przykład, w którym w ogóle nie jest dostępne podłączenie do zewnętrznej sieci energetycznej – kogenerator jest eksploatowany w tzw. trybie pracy wyspowej. Urządzenie zaopatruje instalację wewnętrzną w energię elektryczną, przy czym priorytet ma dostarczanie energii elektrycznej. Ciepło w miarę możliwości wykorzystywane jest lokalnie lub tracone na chłodnicy awaryjnej. Kogenerator nigdy i z niczym nie będzie się synchronizował. Rozróżnienie, czy chodzi o pracę awaryjną w zastępstwie sieci, czy też wyspową jest ważne na etapie projektowania oraz zamawiania samego urządzenia. Na etapie projektowania przy pracy awaryjnej musimy wydzielić priorytetowe obwody elektryczne od reszty instalacji obiektu. Te obwody będą zasilane w przypadku awarii sieci. Kogenerator musi więc być wyposażony w moduł do odłączania obiektu od zewnętrznej sieci energetycznej. W przypadku pracy wyspowej takie dodatkowe wyposażenie jest zbędne. Na koniec jeszcze raz porozmawiajmy o pieniądzach.

Skąd bierze się zysk?
Moduły kogeneracyjne nie należą do tanich urządzeń, ale na szczęście dla kogeneracji energia elektryczna jest droższa od energii cieplnej wytworzonej z gazu ziemnego. W Polsce stosunek ceny 1 kWh prądu do 1 kWh energii cieplnej z gazu wynosi mniej więcej 3:1. To dobrze! Planowane wzrosty cen energii elektrycznej (niestety, bolesne dla firm) mogą tę różnicę jeszcze zwiększyć, co oczywiście zwiększy atrakcyjność kogeneracji. Spalając w kogeneratorze „tani” gaz, otrzymujemy tanio „drogi” prąd i „tanie” ciepło. Prąd z klasycznej elektrowni jest drogi, ponieważ ciepło powstające przy jego produkcji jest w przeważającej części tracone. Dochodzą do tego straty na przesyle energii elektrycznej i koszt utrzymania sieci. Straty energii pierwotnej przy klasycznym zaopatrywaniu obiektu w energię cieplną (kotłownia) i elektryczną (elektrownia) są większe (rys. 4 – czerwony prostokąt) niż w przypadku kogeneracji (zielony prostokąt). Najprościej rzecz ujmując: zysk powstaje jako różnica między ceną zakupu „drogiej” energii elektrycznej z sieci (w tradycyjnym modelu zasilania) a niższą ceną jej wytworzenia w module kogeneracyjnym. Od zysku musimy odjąć jeszcze koszty zakupu urządzenia i koszty eksploatacyjno-serwisowe (praca + materiał). Przy prostym prognozowaniu czasu zwrotu z inwestycji w zależności od warunków można ostrożnie mówić nawet o 2-3 latach. Im większa moc urządzenia i im dłuższy czas jego pracy, tym lepiej.

Podsumowując, główną myśl artykułu można streścić w zdaniu, że w przypadku synchronicznej pracy kogeneratora z siecią (najczęstszy przypadek) bez odprowadzania ciepła nie można wytwarzać energii elektrycznej, a bez wytwarzania energii elektrycznej nie ma zysku (oszczędności). Bez zysku nie warto stosować kogeneratora.


 

pi