Kogeneracja

Inaczej generacja w skojarzeniu, to zamiana energii zawartej w paliwach na ciepło, chłód, energię elektryczną lub mechaniczną, realizowana w jednym urządzeniu lub zespole kilku połączonych ze sobą urządzeń. Może ona być realizowana zarówno na dużą skalę w elektrociepłowniach zawodowych jak i w tzw. skali mikro czyli przy użyciu agregatów kogeneracyjnych. 

Wykorzystanie zalet kogeneracji w dużej skali (elektrociepłownie) jest ograniczone ze względu na duże odległości źródeł od odbiorców. Rozwiązaniem, które stało się już dostępne w Polsce i umożliwia lokalne wykorzystanie zalet kogeneracji oraz wynikających z niej oszczędności, jest mikrokogeneracja.

Mikrokogeneracja

Według ustawy Prawo energetyczne oznacza produkcję w jednym urządzeniu energii elektrycznej na poziomie do 40 kW i energii cieplnej na poziomie do 70 (120) kW. Urządzenia mikrokogeneracyjne oznaczane są skrótem MCHP, co oznacza Micro Co-Generation of Heat and Power, czyli produkcja ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu w skali mikro.

Wśród technologii mikrokogeneracji wyróżnić można gazową mikrokogenerację MCHP XRGI (XRGI od exergy – egzergia), która umożliwia uzyskanie wyższych sprawności przetworzenia energii niż tradycyjne układy MCHP. Jest to kompleksowe rozwiązanie - układ MCHP XRGI zawiera generator prądu napędzany gazowym silnikiem spalinowym, ale także posiada zintegrowany inteligentny dystrybutor ciepła. Odbiór ciepła z silnika i generatora odbywa się poprzez wymiennik wbudowany w dystrybutorze ciepła wraz układem podmieszania. Oznacza to, że silnik zawsze będzie pracował w optymalnym zakresie temperatur, nawet jeżeli temperatura wody na powrocie z obiegów grzewczych będzie bardzo niska (np. 5ºC). Dzięki temu możliwe jest powiększenie sprawności układu o efekt kondensacji pary wodnej ze spalin. Dlatego też, wszędzie gdzie w tekście podawane są sprawności, koszty czy emisje, dotyczy to układów MCHP XRGI. Klasyczne układy MCHP wymagają zapewnienia temperatur wody powrotnej na poziomie 60 - 75ºC, co uniemożliwia zaistnienie efektu kondensacji. W układzie MCHP XRGI możliwa jest więc bardzo wyraźna redukcja strat energii w porównaniu z rozdzielną produkcją energii elektrycznej i cieplnej (rys. 1.). Oznacza to równocześnie, że do wytworzenia tej samej ilości energii cieplnej i elektrycznej w układzie MCHP XRGI zużywane jest około 60 - 70% mniej paliw pierwotnych niż miałoby to miejsce w rozdzielnej produkcji (rys. 2.). Redukcja zużycia paliwa występująca w przypadku technologii MCHP XRGI oznacza ograniczenie kosztów eksploatacji i znaczne oszczędności dla użytkownika końcowego, a także ograniczenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Redukcja zużycia paliw pierwotnych i emisji zanieczyszczeń są jednymi z najistotniejszych elementów wskazywanych przez Parlament Europejski jako kierunek działań, który powinien być szczególnie wspierany w krajach członkowskich.

Rys. 1. Porównanie strat energii w układzie gazowej mikrokogeneracji MCHP XRGI i w układzie rozdzielnego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej.

Rys. 2. Porównanie zużycia paliwa w układzie gazowej mikrokogeneracji MCHP XRGI i w układzie rozdzielnego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej.

Zakresy mocy i gabaryty urządzeń MCHP XRGI umożliwiają ich montaż w kotłowniach istniejących bądź nowoprojektowanych obiektów. Dzięki temu mamy do czynienia z sytuacją, gdzie paliwo pierwotne (gaz ziemny lub LPG) dostarczane jest do obiektu i dopiero tutaj następuje jego przetworzenie na energię cieplną i elektryczną. Czyli energia wytwarzana jest bezpośrednio na miejscu jej wykorzystania. Unikamy w ten sposób strat związanych z przesyłem energii elektrycznej z elektrowni do odbiorcy. Oznacza to możliwość realizacji tzw. rozproszonej produkcji energii, co wskazywane jest jako istotny element rozwoju struktury sieci energetycznych związany z decentralizacją i dywersyfikacją źródeł energii.

Działanie mikrokogeneracji MCHP XRGI

Układ gazowej mikrokogeneracji MCHP XRGI stanowi kompleksowy system produkcji ciepła i energii elektrycznej wraz ze sterowaniem i zabezpieczeniami, co oznacza całkowicie kompletny modułowy układ możliwy do zastosowania zarówno w istniejących jak i nowopowstających obiektach. Zestaw MCHP XRGI składa się z następujących elementów (rys. 3.):

• jednostka kogeneracyjna,
• inteligentny dystrybutor ciepła,
• zbiornik magazynujący ciepło,
• skrzynka przyłączeniowa do sieci elektrycznej z panelem sterowania.

Jednostka kogeneracyjna posiada wbudowany silnik spalinowy zasilany gazem ziemnym lub LPG. Zarówno silnik jak i generator chłodzone są płynem chłodniczym, co umożliwia pełny odbiór ciepła z paliwa. Energia cieplna z chłodzenia zespołu silnik-generator przekazywana jest do dystrybutora ciepła i dalej do instalacji grzewczej albo do zbiornika magazynującego ciepło. W układzie uzyskiwana jest woda grzewcza o temp. 80 – 85 ºC. Prąd wytwarzany przez generator trafia do skrzynki przyłączeniowej z wbudowanymi zabezpieczenia i dalej doprowadzony jest do głównej skrzynki rozdzielczej budynku. Inteligentny dystrybutor ciepła odbiera energię cieplną od jednostki kogeneracyjnej i w zależności od aktualnych potrzeb kieruje je na obiegi grzewcze budynku bądź do zbiornika magazynującego ciepło. Dystrybutor posiada wbudowane układy pomiarowe i sterujące przepływami wody grzewczej oraz ładowaniem/rozładowywaniem zbiornika magazynującego ciepło.

Rys. 3. Zestaw gazowej mikrokogeneracji MCHP XRGI – (od lewej: jednostka kogeneracyjna, dystrybutor ciepła, skrzynka przyłączeniowa z panelem sterowania, zbiornik magazynujący ciepło).

Zbiornik magazynujący ciepło jest elementem pozwalającym na magazynowanie dodatkowej ilości ciepła w czasie, kiedy obiegi grzewcze budynku nie wymagają grzania. Dzięki temu układ dysponuje chwilowo większą mocą niż nominalna moc grzewcza jednostki. Pozwala to na doprowadzenie do obiektu dodatkowej energii w okresach zapotrzebowania szczytowego. Skrzynka przyłączeniowa umożliwia odbiór energii wytworzonej w generatorze i dostarczenie jej do linii zasilającej główną skrzynkę rozdzielczą budynku. Następujące zabezpieczenia wbudowane są fabrycznie w skrzynce przyłączeniowej:

• monitorowanie napięcia,
• monitorowanie częstotliwości,
• układ wyłączenia kogeneratora w przypadku zaniku napięcia w sieci,
• zabezpieczenia różnicowo-prądowe wysokiej czułości.

Dzięki temu, że fabrycznie wbudowane zabezpieczenia elektryczne spełniają wszystkie wymogi stawiane przez dystrybutorów energii elektrycznej w Polsce, przyłączenie kogeneratora do sieci odbywa się na zasadzie zgłoszenia do lokalnego dystrybutora, które w terminie do 30 dni zostaje zatwierdzone. Skrzynka przyłączeniowa wyposażona jest w panel sterowania umożliwiający ustawianie trybów pracy urządzenia oraz odczyty ilości wytwarzanej energii elektrycznej a także temperatur wody grzewczej na obiegach dystrybutora ciepła i w zbiorniku magazynującym ciepło. W przypadku konieczności kompensacji mocy biernej, w skrzynce przyłączeniowej może być zamontowany odpowiedni moduł kompensacyjny. Na rys. 4 przedstawiono zasadniczy schemat technologiczny produkcji ciepła i energii elektrycznej z zastosowaniem mikrokogeneracji MCHP XRGI i współpracującego kotła.

Zasada działania systemu MCHP XRGI:

1. Produkcja ciepła

W przedstawionym na rys. 4 schemacie możemy zdefiniować 3 źródła energii cieplnej:

• jednostka kogeneracyjna MCHP XRGI,
• zbiornik magazynujący ciepło (wykorzystanie zmagazynowanej energii z kogeneratora),
• kocioł grzewczy (uzupełnienie energii w sytuacjach, kiedy obiekt wymaga więcej energii niż moc kogeneratora i zbiornika magazynującego ciepło).

Jeżeli obiegi grzewcze obiektu (grzejniki, ogrzewanie podłogowe, klimakonwektory, centrale wentylacyjne, itp.) wymagają dostarczenia do nich energii, wówczas dystrybutor kieruje strumień gorącej wody na rozdzielacze wyposażone w układy podmieszania. Układy podmieszania umożliwiają zapewnienie różnych temperatur wody grzewczej, odpowiednich dla poszczególnych obiegów. Równolegle do rozdzielaczy obiegów grzewczych zabudowany jest zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową. Powrotne strumienie wody z obiegów grzewczych bądź z zasobnika c.w.u. trafiają do dystrybutora ciepła i zamykają obieg wody. W pierwszej kolejności do zasilenia obiegów grzewczych dystrybutor wykorzystuje gorącą wodę ze zbiornika magazynującego ciepło. Ilość wody dostępnej do wykorzystania z tego zbiornika mierzona jest przez zespół czujników temperatury rozmieszczonych wzdłuż całej jego wysokości. W ten sposób dystrybutor ciepła informowany jest kiedy ciepła woda w zbiorniku zaczyna się wyczerpywać, i wówczas uruchamiany jest kogenerator dostarczający wodę grzewczą na rozdzielacze. Jeżeli ta ilość ciepła okaże się zbyt mała, wówczas uruchamia się kocioł, który uzupełnia bilans grzewczy budynku (obiektu).

Rys. 4. Układ kaskady mikrokogeneratorów MCHP XRGI zasilających obiekt (dwie jednostki lub dowolna większa ilość).

W momencie, kiedy obiegi grzewcze zostaną odpowiednio wygrzane, wówczas spada zapotrzebowanie na ciepło i w pierwszej kolejności wyłącza się kocioł grzewczy, jeżeli był załączony. Jeżeli zapotrzebowanie na ciepło w dalszym ciągu spada, dystrybutor ciepła zatrzymuje przepływ strumienia ciepła z kogeneratora do obiegów grzewczych i przekierowuje go do ładowania zbiornika magazynującego ciepło. W momencie, kiedy cały zbiornik wypełniony jest gorącą wodą, na powrocie do dystrybutora ciepła pojawi się woda o temperaturze wyższej niż 75 ºC, co jest sygnałem do zatrzymania kogeneratora i oczekiwania na pojawienie się zapotrzebowania na ciepło na obiegach grzewczych. Przy prawidłowym doborze jednostki mikrokogeneracyjnej do obiektu możliwe jest utrzymywanie ciągłej pracy kogeneratora 24 godziny na dobę przez cały rok i wykorzystanie w pełni wytwarzanej energii cieplnej, co jest najkorzystniejsze z punktu widzenia czasu zwrotu nakładów inwestycyjnych.

2. Produkcja energii elektrycznej

W przedstawionym na rys. 4 schemacie widoczne są przewody przekazujące energię elektryczną z generatora zabudowanego w jednostce kogeneracyjnej do skrzynki przyłączeniowej (czarna linia biegnąca z kogeneratora do skrzynki przyłączeniowej), w której zabudowane są wszystkie wymagane przez dystrybutorów zabezpieczenia, i dalej do głównej sieci zasilającej budynek. Punkt przyłączenia wytwarzanej energii elektrycznej do linii zasilającej budynek znajduje się pomiędzy głównym licznikiem energii a skrzynką rozdzielczą budynku. Na prawo od punktu przyłączenia widoczny jest miernik referencyjny. Miernik ten, poprzez przekładniki prądowe informuje układ kogeneracji jaka moc jest w danej chwili pobierana przez budynek. Na podstawie tej informacji, kogenerator dostosowuje swoją moc wyjściową do aktualnego zapotrzebowania budynku na energię elektryczną. W układzie tym, gdzie za pomocą przekładników prądowych i miernika referencyjnego następuje porównanie i dostosowanie wytwarzanego przez generator prądu do aktualnego zapotrzebowania budynku, istnieją trzy możliwe warianty pracy:

• jeżeli kogenerator obciążony jest elektrycznie poniżej 50% swojej nominalnej wydajności (patrz zakładka urządzenia - tab. 1), oznaczałoby to spadek jego wydajności (mierzonej jako stosunek zużytego paliwa do uzyskanej energii wyjściowej) poniżej akceptowalnych wartości i dlatego układ wówczas automatycznie się wyłącza i całość zużywanej energii elektrycznej pobierana jest z sieci,
• jeżeli kogenerator obciążony jest elektrycznie pomiędzy 50 a 100% swojej wydajności nominalnej (tab. 1), wówczas całość energii wymaganej przez budynek zapewniana jest przez kogenerator i z sieci nie jest pobierana energia elektryczna,
• jeżeli budynek wymaga dostarczenia energii elektrycznej w ilości przekraczającej moc nominalną kogeneratora, wówczas kogenerator dostarcza do budynku prąd w ilości swojej mocy nominalnej, natomiast pozostała część pobierana jest z sieci.

Takie rozwiązanie oznacza w pełni autonomiczną regulację układu MCHP XRGI do aktualnych potrzeb budynku we współpracy z siecią energetyczną. W układzie tym, dzięki modulacji mocy wyjściowej, nie dochodzi w żadnym momencie do wysyłania energii elektrycznej do sieci. Technicznie jest to możliwe (zmiana trybu na panelu sterowania), jednak w obecnej sytuacji w Polsce jest to nieopłacalne i największe oszczędności uzyskiwane są jeżeli budynek jest w stanie skonsumować całą ilość energii wytworzonej przez kogenerator. Układy mikrokogeneracji MCHP XRGI nie mogą być stosowane jako źródło zasilania awaryjnego na wypadek zaniku napięcia w sieci energetycznej. Ze względu na zastosowanie tu asynchronicznego generatora energii elektrycznej, konieczne jest jego wzbudzenie oraz synchronizacja do sieci zewnętrznej. W momencie zaniku napięcia w sieci energetycznej, układ kogeneracji wyłącza się automatycznie w ciągu 20 ms ze względów bezpieczeństwa ewentualnych prac prowadzonych na transformatorze bądź linii przesyłowej. W przypadku konieczności zapewnienia w budynku zasilania awaryjnego (np. na terenach o dużej częstości występowania awarii sieciowych) uzasadnione jest doposażenie układu mikrokogeneracji MCHP XRGI w awaryjny generator energii elektrycznej (o mocy dobranej do zasilania wybranych, priorytetowych odbiorników), bądź zastosowanie kogeneracji semi off-grid (zbudowanej na bazie generatora synchronicznego, zdolnej do pracy w systemie wyspowym). Jednakże generatory asynchroniczne są trwalszą i bardziej niezawodną konstrukcją.

Rys.5. Schemat technologiczny produkcji ciepła i energii elektrycznej z zastosowaniem mikrokogeneracji MCHP XRGI [9].

W obiektach gdzie występuje duże całoroczne i całodobowe zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną, najczęściej wykorzystywany jest układ kaskady dwóch lub więcej mikrokogeneratorów MCHP XRGI (rys. 6.). W układzie takim pojawia się dodatkowy element automatyki „sterowanie zespołu”, który zarządza kolejnością rozruchu jednostek kogeneracyjnych oraz zapewnia równomierne rozłożenie godzin pracy poszczególnych jednostek.