W poprzednich artykułach z cyklu o kogeneracji omówiliśmy zagadnienia związane z opłacalnością stosowania modułów kogeneracyjnych oraz poznaliśmy sposoby hydraulicznego włączenia tych urządzeń w instalację grzewczą obiektu. Kolejnym ważnym tematem jest podłączenie urządzenia kogeneracyjnego do sieci elektrycznej. Zamyka on nasz krótki cykl, mamy jednak nadzieję, że dla Czytelników jest to dopiero wstęp do bliższego zapoznania się z technologią kogeneracji.

Moduł kogeneracyjny może pracować równolegle z siecią lub niezależnie od niej. W pierwszym artykule z cyklu poświęconego kogeneracji omówione już były sposoby pracy modułu. Tutaj je tylko przypomnimy:

• praca synchroniczna (równoległa) z siecią elektroenergetyczną,
• praca niezależna od sieci elektroenergetycznej; w tym przypadku możliwa jest praca zastępcza (awaryjna) albo praca wyspowa (permanentna).

Praca synchroniczna z siecią elektroenergetyczną
Praca synchroniczna (równoległa) z siecią to najczęstszy przypadek wykorzystania kogeneratorów. Kogenerator jest wówczas równolegle podłączony do instalacji elektrycznej obiektu, a tym samym również do sieci zewnętrznej. Jego praca przebiega następująco:

• urządzenie w trybie automatycznym czuwa, czy spełnione są warunki do pracy, tzn. przede wszystkim, czy możliwe jest chłodzenie silnika oraz czy nie ma zakłóceń w sieci energetycznej. Jeżeli tylko jest to możliwe, następuje automatyczny start urządzenia;
• po starcie silnika kogenerator synchronizuje częstotliwość własną z częstotliwością sieci energetycznej i następnie łączy generator z siecią. Wał generatora elektrycznego połączony jest na sztywno z wałem silnika, cała synchronizacja polega więc na dokładnej regulacji obrotów silnika;wspomniane wyżej połączenie generatora z siecią dokonuje się, jeżeli spełnione są wszystkie parametry elektryczne: układ sterujący i zabezpieczający kontroluje m.in.: różnicę napięć, różnicę częstotliwości, różnicę kątów fazowych między generatorem a siecią;
• w momencie połączenia generatora z siecią obciążenie generatora jest zerowe i dopiero po odczekaniu kilku sekund układ zaczyna oddawać energię elektryczną do sieci. Wzrost obciążenia kogeneratora w przypadku pracy równoległej jest płynny: od 0 kW do pełnej mocy i następuje powoli w ciągu około 1-2 minut (zależnie od typu urządzenia). Na bieżąco, na wzbudnicy generatora, następuje kompensacja cosφ, tak by zminimalizować moc bierną;
• każde zakłócenie krytyczne zarejestrowane w sieci podczas pracy powoduje, że kogenerator odłącza się od niej. 

Przykład połączenia przy pracy synchronicznej. Na rys. 1 przedstawiono, jak wyglądają połączenia agregatu kogeneracyjnego i sieci obiektowej w przypadku urządzeń marki Bosch.
Kogenerator (A) wraz z szafą sterowniczą (B) stanowią kompletne urządzenie. Jak widać, układ zabezpieczająco-kontrolny (1) ma poprzez szynę (a) stałe połączenie najbliżej punktu połączenia kogeneratora z wewnętrzną siecią obiektu. Układ na bieżąco kontroluje parametry sieci i jakiekolwiek odstępstwa powodują, że generator jest poprzez wyłącznik (6) odłączany od sieci (sygnały c i d). Pozostałe urządzenia kogeneratora pokazane na rysunku służą dodatkowemu potwierdzeniu stanu wyłącznika (sygnały e i f ) i zapewniają bezpieczne podłączenie i odłączenie od sieci obiektowej i tym samym zewnętrznej.

Konsekwencją takiego sposobu zabezpieczenia i podłączenia jest to, że nawet gdyby urządzenie było wyposażone w generator synchroniczny, a obiekt został odłączony od sieci zewnętrznej, to urządzenie i tak nie wystartuje do awaryjnego zasilania sieci obiektowej. Do takiego sposobu pracy wymagane są dodatkowe zabezpieczenia kogeneratora oraz specjalnie zaprojektowana wewnętrzna instalacja elektryczna obiektu, o czym piszę dalej.

Dodatkowy moduł zerowego obciążenia. Czasami życzeniem inwestora lub warunkiem zgody na podłączenie do sieci energetycznej jest to, aby moduł kogeneracyjny w żadnym wypadku nie oddawał energii do sieci zewnętrznej. Jest to możliwe po wyposażeniu kogeneratora w dodatkowy moduł zerowego obciążenia, który w razie potrzeby moduluje moc wychodzącą z modułu w taki sposób, by nie przekazywać energii do sieci. Tutaj należy przypomnieć, że każdy moduł kogeneracyjny ma swój zakres modulacji, zazwyczaj 50-100%, i poniżej mocy minimalnej moduł zostaje wyłączony.

Praca niezależna od sieci elektroenergetycznej
Przechodząc do omówienia pracy niezależnej od sieci, należy przypomnieć, że tylko moduły kogeneracyjne wyposażone w generatory synchroniczne mogą być wykorzystane do tego typu pracy. Generatory synchroniczne mają urządzenia samowzbudzające, natomiast generatory asynchroniczne nie mają takich urządzeń i potrzebują wzorcowego sygnału z sieci (mogą pracować tylko równolegle z siecią).
Dodatkowo, ze względów ekonomicznych, aby zapewnić jak najdłuższą pracę urządzenia w ciągu roku, kogeneratory nie są dobierane na 100% potrzeb cieplnych i elektrycznych obiektu. Chodzi o zapewnienie jak najdłuższego okresu, kiedy ciepło z urządzenia wykorzystywane jest w obiekcie i może na siebie zarabiać. W praktyce pokrycie potrzeb cieplnych przez kogenerator wynosi około 20% maksymalnej mocy obiektu. To oznacza zazwyczaj, że również potrzeby elektryczne obiektu nie są pokrywane w 100%. Gdybyśmy chcieli podczas awarii sieci elektroenergetycznej zasilać cały obiekt, to przeciążony kogenerator zostałby natychmiast wyłączony z ruchu. W związku z tym musimy wydzielić obwody priorytetowe, które będą zasilane w przypadku awarii sieci.

! Wyjątkiem od opisanej reguły doboru mocy kogeneratora jest najrzadziej występujący przypadek pracy wyspowej – moc kogeneratora dobierana jest wówczas do całkowitej mocy potrzebnej w obiekcie. Taka wewnętrzna sieć wyspowa nie jest połączona z siecią zewnętrzną i zazwyczaj ograniczona jest do jednego obiektu. W związku z tym nie są potrzebne żadne dodatkowe uzgodnienia z dostawcą energii (ponieważ dostawa nie występuje).

W przypadku gdy moduł kogeneracyjny samodzielnie zasila obiekt, należy uwzględnić włączanie silników indukcyjnych, które charakteryzują się kilkukrotnie większym prądem rozruchowym. Aby zapobiec zatrzymaniu awaryjnemu modułu na skutek przeciążenia, stosuje się następujące rozwiązania:

• wydzielenie priorytetowych obwodów do zasilania awaryjnego tak, by ich łączna moc nie przekraczała 90% mocy agregatu kogeneracyjnego (10% „poduszka” na ew. przeciążenia);
• podzielenie obwodów priorytetowych na trzy części i stopniowe włączanie poszczególnych obwodów (np. 40% + 40% + 10%).

Przykład pracy z funkcją zasilania zastępczego. Schemat podłączenia elektrycznego przy pracy synchronicznej z siecią elektroenergetyczną z funkcją zasilania zastępczego (zasilanie awaryjne) przedstawia rys. 2. W przypadku takiej pracy wymagany jest:

• dedykowany układ obwodów elektrycznych z wydzieloną częścią obwodów priorytetowych, uzupełniony o dodatkowy układ sterujący, który stopniowo załącza poszczególne części obwodów priorytetowych;
• również sam kogenerator wymaga wyposażenia go w dodatkowy moduł odpowiedzialny za odłączenie obwodów priorytetowych od obwodów zwykłych (wyłącznik sprzęgłowy w rozdzielnicy awaryjnej).

W Niemczech moduły sterowania pracą awaryjną występują zasadniczo w dwóch odmianach. Jedne są przeznaczone do zwykłych obiektów oraz obiektów publicznych, typu szkoły, kąpieliska, dworce, w których np. zasilanie elektryczne istotnych urządzeń w budynku (oświetlenie, instalacja ppoż.) musi być udostępnione najpóźniej po 15 sekundach od zaniku napięcia w sieci. Drugie są natomiast przeznaczone do obiektów medycznych, w których obowiązują obostrzone wymagania, np. energia na pierwszym poziomie mocy 20% powinna być dostępna już po 5 sekundach, a reszta najpóźniej po 15 sekundach.
Działanie układu zasilania awaryjnego jest następujące (rys. 2):

• w przypadku zaniku napięcia na sieci zostają odłączone wyłączniki (6 i 8);
• po krótkim czasie stabilizacji obrotów zostaje ponownie włączony włącznik (6), a potem następuje stopniowe załączenie obwodów priorytetowych;
• po przywróceniu napięcia w sieci pojawia się krótka faza oczekiwania na ustabilizowanie się parametrów sieci, po czym następuje wsteczna synchronizacja modułu oraz zapięcie włącznika (8).

Chłodzenie modułu podczas pracy awaryjnej. Ważnym zagadnieniem podczas pracy awaryjnej jest zapewnienie chłodzenia modułu kogeneracyjnego, tak by brak możliwości oddawania ciepła nie wyłączył nam urządzenia (awaria sieci energetycznej może się przecież wydarzyć latem). W przypadku pracy awaryjnej ekonomika pracy urządzenia schodzi na drugi plan względem bezpieczeństwa. W takich sytuacjach stosuje się chłodnice awaryjne (rys. 3), których zadaniem jest wyrzucanie nadmiaru ciepła niewykorzystanego w instalacji do otoczenia.

To tylko wstęp do tematu... Przedstawione w naszym cyklu artykułów zagadnienia związane z kogeneracją to tylko pierwszy krok do poznania tematu dla osób nim zainteresowanych. Na polskim rynku istnieje kilkanaście liczących się firm oferujących urządzenia kogeneracyjne. Niektóre z nich dzielą się wiedzą i oferują dobre materiały do projektowania wraz z przykładami aplikacji, co może być kolejnym krokiem na drodze do pierwszego projektu i realizacji inwestycji z kogeneracją.

Dlaczego warto zgłębić temat? Niewątpliwie impulsem są obecnie rosnące ceny energii elektrycznej. Zmieniające się przepisy spowodowały również zmianę podejścia do kogeneracji zakładów energetycznych, które nie traktują jej już jak „śmieci po sieci”, ale zaczęły w niej dostrzegać czynnik stabilizujący zasilanie oraz poprawiający sprawność produkcji energii elektrycznej, a więc nadający tej produkcji walory ekologiczne.