background image

JACEK KALINA 
Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej 
Instytut Techniki Cieplnej 
Politechnika Śląska w Gliwicach 
 

Oszczędność energii chemicznej paliw wynikająca ze stosowania 

gazowych układów kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych 

 
 

1. WPROWADZENIE 

 

Ostatnie lata w polskiej energetyce to okres znaczących 

przekształceń, które obejmują zarówno nowelizację aktów 
prawnych  regulujących  pracę  systemu,  jak  również 
rozważania  nad  nowymi  technologiami  wytwarzania 
użytecznych nośników energii. W odniesieniu do urządzeń 
wytwórczych  coraz  większą  wagę  przykłada  się  do takich 
wskaźników  jak  zapotrzebowanie  energii  napędowej, 
sprawność,  efektywność  ekonomiczna  oraz  uciążliwość 
ekologiczna.  Rosnącym  zainteresowaniem  cieszą  się 
rozproszone  źródła  energii  o  stosunkowo  niedużej  mocy 
elektrycznej, 

realizujące 

skojarzoną 

gospodarkę 

energetyczną  polegającą  na  równoczesnym  wytwarzaniu 
ciepła  i  energii  elektrycznej.  Przy  zastosowaniu 
nowoczesnych układów kogeneracyjnych zintegrowanych z 
urządzeniem ziębniczym możliwe jest również jednoczesne 
wytwarzanie  w  jednym  układzie  ciepła,  zimna  i  energii 
elektrycznej.  Należy  jednak  podkreślić,  że  warunkiem 
koniecznym  do  zastosowania  układu  kogeneracyjnego  lub 
trójgeneracyjnego jest występowanie po stronie odbiorców 
zapotrzebowania  na  poszczególne  nośniki  energii. 
Zapotrzebowanie  to  powinno  charakteryzować  się 
odpowiednio wysokim poziomem mocy oraz odpowiednio 
długim czasem występowania. 

W  poszczególnych  przypadkach  zapotrzebowanie  na 

nośniki  energii  u  odbiorców  nie  jest  warunkiem 
wystarczającym  dla  podjęcia  decyzji  o  budowie  układu 
skojarzonego.  Przyrost  liczby  zrealizowanych  inwestycji 
uzależniony  jest  od  szeregu  innych  czynników,  z  których  
wg  raportu  Komisji  Europejskiej  [2]  jako  najważniejsze 
podaje się: 

a)  dostępność  paliwa  (zwykle  gazu  ziemnego  lub  innego 

paliwa gazowego), 

b)  sprzyjające regulacje prawne dotyczące kogeneracji, 
c)  regulacje w zakresie ochrony środowiska, 
d)  rozwój systemu podaży nośników energii, 
e)  poziom cen nośników energii, 
f)  konkurencyjność na rynku, 
g)  dostępność nowoczesnych technologii, 
h)  dostępność środków finansowych. 

Wszystkie  wymienione  czynniki  wpływają  na  ostateczną 
wartość 

wskaźników 

efektywności 

ekonomicznej 

inwestycji,  które  w  przypadku  małych  układów 
skojarzonych są kluczowym czynnikiem decyzyjnym. 

Opłacalność  projektu  analizowana  jest  zwykle  lokalnie, 

przy  uwzględnieniu  przepływów  finansowych  związanych 
bezpośrednio z inwestycją, zarówno w czasie jej realizacji 
jak 

eksploatacji. 

Wprowadzanie 

do 

systemu 

energetycznego rozproszonych źródeł energii realizujących 
gospodarkę  skojarzoną  przynosi  efekty,  które  mogą 
wpływać  na  promocję  tej  technologii.  Do  głównych 
efektów  o  takim  właśnie  znaczeniu  należą:  globalna 
oszczędność  energii  chemicznej  paliw  oraz  globalne 
zmniejszenie emisji substancji szkodliwych. 

W artykule przedstawiono sposób obliczeń oszczędności 

energii  chemicznej  paliw  oraz  zmniejszenia  emisji 
substancji  szkodliwych.  Przeanalizowano  także  wartości 
przyjmowane przez te wskaźniki dla typowych technologii 
skojarzonego  wytwarzania  ciepła,  zimna  i  energii 
elektrycznej. 
 

2. OSZCZĘDNOŚĆ ENERGII CHEMICZNEJ PALIW 

ORAZ ZMNIEJSZENIE EMISJI SUBSTANCJI 

SZKODLIWYCH 

 

Ilość  energii  chemicznej  paliw  pierwotnych  jaka  może 

zostać zaoszczędzona w skali globalnej w wyniku realizacji 
danego  procesu  jest  jednym  z  najbardziej  istotnych 
wskaźników  porównawczych  w  analizie  skojarzonego 
wytwarzania  użytecznych  nośników  energii  [3][4][11]. 
Oszczędność ta wyrażana jest wzorem: 

 

( ) ( )

0

>

=

S

ch

R

ch

ch

E

E

E

&

&

&

 

(1) 

gdzie: 

( ) ( )

S

ch

R

ch

E

E

&

&

,

- zużycie energii chemicznej w 

systemie w przypadku rozdzielonego oraz skojarzonego 
wytwarzania użytecznych nośników energii. 

Uzyskaną  wartość  można  odnieść  do  zużycia  energii 

napędowej przed realizacją danego procesu (w gospodarce 
rozdzielonej)  uzyskując  w  ten  sposób  względny  wskaźnik 
oszczędności: 

 

( )

R

ch

ch

E

E

FESR

&

&

=

 

(2) 

gdzie:  FESR  oznaczenie  zaczerpnięte  z  języka 
angielskiego: Fuel Energy Saving Ratio [3]. 

W  podobny  sposób  oszacować  można  globalne 

zmniejszenie  emisji  substancji  szkodliwych  do  atmosfery. 
Wygodnie  jest  w  tym  celu  odnieść  wskaźniki  emisji 
poszczególnych  substancji  szkodliwych  do  ilości  energii 
chemicznej  paliwa  spalanego  w  procesie.  Globalne 
zmniejszenie  emisji  poszczególnych  substancji  wrazić 
można w tym wypadku zależnością: 

 

( ) ( ) ( ) ( )

S

ch

S

i

R

ch

R

i

i

E

E

&

&

&

χ

χ

ξ

=

 

(3) 

background image

gdzie 

ξ

i

  –  zmniejszenie  emisji  substancji  szkodliwej  i 

[kg/s],  (

χ

i

)

  (

χ

i

)

CHP

  –  wskaźnik  jednostkowej  emisji  i-tej 

substancji szkodliwej w procesach rozdzielonych i procesie 
skojarzonym  odniesiony  do  energii  chemicznej  spalanych 
paliw [kg/GJ]. 

Efekty  środowiskowe  mogą  mieć  znaczący  wpływ  na 

zwiększenie  liczby  instalacji  układów  skojarzonych  w 
przypadku,  gdy  zostaną  zastosowane  odpowiednie 
mechanizmy  wyceny  wartości  ekonomicznej  szkód 
wywołanych  w  środowisku.  Odpowiednia  wysokość  opłat 
środowiskowych  może  mieć  duże  znaczenie  dla 
efektywności  ekonomicznej  inwestycji  przez  wpływ 
zarówno na opłaty środowiskowe związane bezpośrednio z 
analizowanym obiektem jak i przez wpływ na ceny energii 
ze źródeł alternatywnych (w gospodarce rozdzielonej). 

Układy  skojarzone  mają  szczególnie  istotne  znaczenie 

dla  zmniejszenia  emisji  CO

2

,  gazu  uważanego  za  jedną  z 

przyczyn efektu cieplarnianego. Wielkość emisji wynika w 
tym  przypadku  wyłącznie  ze  stechiometrii  spalania. 
Przykładowo przy spalaniu gazu ziemnego o składzie: N

2

 - 

0.818 %, CO

2

 - 0.183 %, CH

4

 - 97.769 %, C

2

H

6

 - 0.793 %, 

C

3

H

8

 - 0.269 %, C

4

H

10

 - 0.113 %, C

6

H

12 

- 0.025 %, CH

6

H

14 

-  0.02  %,  O

2

  -  0.01  %  i  wartości  opałowej:  35.9  MJ/m

n

3

 

(GZ50),  wskaźnik  emisji  CO

2

  wynosi  56  kg/GJ  energii 

spalonego  paliwa  (przy  spalaniu  całkowitym  i  zupełnym). 
Przy  sprawności  silnika  czy  turbiny  rzędu  35  %  daje  to 
wskaźnik  576  kg/MWh  wytworzonej  energii  elektrycznej. 
Dla porównania średni wskaźnik dla elektrowni węglowych 
wynosi ok. 990 kg/MWh [1]. Co do pozostałych substancji 
szkodliwych,  wskaźniki  emisji  są  silnie  uzależnione  od 
konstrukcji urządzenia i zastosowanej technologii redukcji 
emisji.  

Właściwie  jedynym  sposobem  zmniejszania  globalnej 

emisji  CO

2

 

w  cieplnych  układach  energetycznych  jest 

redukcja zużycia paliw. Zmniejszone zużycie paliw można 
uzyskać  przez  zwiększenie  sprawności  energetycznej 
urządzeń oraz wskaźnika wykorzystania energii chemicznej 
paliwa w układzie.  
 
3. SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPŁA I ENERGII 

ELEKTRYCZNEJ 

 

Obecnie  skojarzone  wytwarzanie  ciepła  i  energii 

elektrycznej  w  układach  gazowych  małej  mocy 
realizowane  jest  głównie  w  oparciu  o  tłokowe  silniki 
spalinowe  i  turbiny  gazowe.  Typowe  schematy  układów 
pokazano na rys. 1 i 2. 

 

 

 

Rys.  1.  Prosty  układ  skojarzony  z  turbiną  gazową  (G  – 
generator,  KS  –  komora  spalania,  T  –  turbina,  S  – 

sprężarka,  KO  –  kocioł  odzyskowy,  P  –  pompa,  OC  – 
odbiornik ciepła, F – filtr) 

 

 

 

Rys.  2.  Układ  skojarzony  z  tłokowym  silnikiem 
spalinowym  (G  –  generator,  P  –  pompa,  TS  – 
turbosprężarka, OC – odbiornik ciepła, WC1 – wymiennik 
ciepła  chłodzenia  powietrza  doładowania,  WC2  – 
wymiennik  ciepła  chłodzenia  płaszcza  wodnego  i  miski 
olejowej) 

 

W układach skojarzonych przedstawionych na rysunkach 

1  i  2  silnik  lub  turbina  napędza  generator.  Ciepło, 
nazywane  często  ciepłem  odpadowym  (ang.  waste  heat
częściowo  wykorzystywane  jest  w  wymiennikach  ciepła. 
W  przypadku  turbiny  jest  to  jeden  wymiennik  spaliny-
woda  (zwany  również  kotłem  odzyskowym),  do  którego 
kierowane są gorące spaliny opuszczające turbinę. Bardziej 
skomplikowana sytuacja ma miejsce, gdy układ zbudowany 
jest  w  oparciu  o  tłokowy  silnik  spalinowy.  System 
wymienników  jest  tu  rozbudowany  z  uwagi  na  fakt,  że  w 
silniku  występuje  kilka  źródeł  ciepła  o  zróżnicowanej 
temperaturze. Są to: 

ciepło chłodzenia płaszcza wodnego, 

ciepło chłodzenia miski olejowej, 

ciepło chłodzenia mieszanki doładowanej, 

entalpia spalin. 

Zmienność zapotrzebowania na ciepło grzejne powoduje, 

że  schematy  technologiczne  małych  elektrociepłowni  z 
reguły  są  bardziej  złożone.  W  większości  przypadków 
silnik  bądź  turbina  współpracuje  z  kotłami  rezerwowo-
szczytowymi  i/lub  zasobnikami  ciepła.  Kotły  rezerwowo-
szczytowe  mogą  być  zasilane  paliwem  innym  niż  układ 
gazowy,  co  prowadzi  do  powstania  elektrociepłowni 
wielopaliwowej.  Ponadto  w  przypadku  silnika  (zwłaszcza 
większej  mocy)  z  reguły  w  układzie  instalowana  jest 
wentylatorowa 

chłodnica 

awaryjna, 

zapewniająca 

możliwość  pracy  urządzenia  w  przypadku  całkowitego 
zaniku odbioru ciepła.  Konfiguracja układu oraz chwilowa 
zmienność  obciążeń  wpływa  na  roczną  wartość  wielkości 
wyrażonych  wzorami  (1),  (2)  oraz  (3).  Dalsza  analiza 
przeprowadzona  będzie  jednak  dla  typowych  układów 
prostych. 

W praktyce inżynierskiej, w odniesieniu do skojarzonego 

wytwarzania  ciepła  i  energii  elektrycznej,  z  reguły 
wykorzystywane  są  następujące  wskaźniki  technicznej 
efektywności procesu [8]: 

background image

a) sprawność wytwarzania energii elektrycznej w układzie 
skojarzonym,  odniesiona  do  całkowitego  zużycia  energii 
chemicznej paliwa: 

 

d

S

ES

W

P

N

&

=

η

 

(4) 

1

σ

b)  wskaźnik  wykorzystania  energii  chemicznej  paliwa 
(sprawność całkowita): 

 

d

S

S

W

P

Q

N

EUF

&

&

+

=

 

(5) 

0,1

0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

1,8

,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

η

ES

EUF = 0.7
EUF = 0.8
EUF = 0.9

 

Rys. 3. Zmiany wskaźnika skojarzenia w małych układach 
skojarzonych  w  funkcji  sprawności  wytwarzania  energii 
elektrycznej  

gdzie:  EUF  –  oznaczenie  zaczerpnięte  z  języka 
angielskiego:  Energy  Utilisation  Factor  [3],  N

S

  –  moc 

elektryczna, 

Q

- moc cieplna. 

S

&

 

Ponadto 

jednym 

ważniejszych 

wskaźników 

wykorzystywanych w opisie procesu skojarzonego jest tzw. 
wskaźnik skojarzenia. 

 

S

S

Q

N

&

=

σ

 

(6) 

Oszczędność  energii  chemicznej  paliw  loco  układy 

wytwórcze, 

gdy 

układ 

skojarzony 

odbiorcy 

indywidualnego zastępuje jednocelowe układy graniczne w 
postaci  elektrowni  systemowej  i  centralnej  kotłowni 
komunalnej,  można  obliczyć  z  zależności  (1)  zapisanej  w 
postaci: 





+





+





=

)

(EUF

N

Q

Q

N

W

P

tp

S

p

S

Ek

p

S

Eel

tp

S

d

η

η

η

η

η

η

&

&

&

 

(8) 

Wartości wskaźników określonych wzorami (4), (5) oraz 

(6) analizować można zarówno jako wartości chwilowe jak 
i  średnie  dla  założonych  okresów  działania  układu,  np. 
średnie  roczne.  Ich  maksymalne  wartości  są  przeważnie 
niższe  niż  dla  nowoczesnych  procesów  rozdzielonych.  W 
przypadku  układów  z  silnikami  tłokowymi    wartość 

η

ES 

przyjmuje  wartości  0.35  –  0.42;  dla  turbin  gazowych 
natomiast  mieści  się  w  zakresie  0.14  –  0.40.  Wskaźnik 
wykorzystania  energii  chemicznej  paliwa  EUF  w  obu 
przypadkach wynosi 0.75 – 0.90 [5][7].   

gdzie: 

η

Eel

  –  sprawność  elektrowni  granicznej, 

η

Ek

  −  

sprawność  energetyczna  kotła, 

 η

tp,

 η´

tp

  -  sprawność 

transformacji  i  przesyłu  energii  elektrycznej  z  elektrowni 
kondensacyjnej i układu skojarzonego, 

η

p, 

η´

p

 - sprawność 

przesyłu ciepła z ciepłowni i układu skojarzonego. 

Wzajemną  zależność  sprawności  wytwarzania  energii 

elektrycznej 

η

ES

, wskaźnika skojarzenia 

σ oraz wskaźnika 

wykorzystania  energii  chemicznej  paliwa  EUF  można 
przedstawić następująco:  

 

 

 +

=

σ

η

1

1

ES

EUF

 

(7) 

W  celu  wyznaczenia  oszczędności  energii  chemicznej 

paliw  pierwotnych  w  skali  kraju,  we  wzorze  (8)  należy 
uwzględnić  mnożnik  1/

η

*

d

  [11].  Symbol 

η

*

d

 

oznacza 

skumulowaną  sprawność  pozyskania  i  dostawy  paliwa  do 
układu.  Skumulowana  oszczędność  energii  chemicznej 
paliw określa całkowitą wielkość oszczędności możliwych 
do  osiągnięcia  w systemie bezpośrednio w analizowanych 
procesach  oraz  w  procesach  je  poprzedzających. 
Uwzględniając, że skumulowana sprawność dostawy węgla 
kamiennego  wynosi  szacunkowo  0.94  a  gazu  ziemnego 
wysokometanowego 0.98 [11] stwierdzić należy, że efekty 
systemowe będą ok. 2 ÷ 6 % większe niż efekty procesowe. 

W rzeczywistych układach parametry te mogą przyjmować 
tylko  określone  wartości  w  zależności  od  rodzaju 
zastosowanych  urządzeń.  Przy  czym  wartość  EUF
określona  wzorem  (7),  nie  może  być  wyższa  od  1. 
Uwzględniając  zakres  zmienności  sprawności 

η

ES

:  0.14  – 

0.42  (turbiny  i  silniki)  [6]  oraz  fakt,  że  przez  dobór 
odpowiedniej  powierzchni  wymiany  ciepła  wymiennika 
spaliny-czynnik grzewczy (para lub woda) w przedziale 

η

ES

 

÷  1    można  kształtować  różne  wartości  EUF,  na  rys.  3 
przedstawiono  zakres  zmienności  wskaźnika  skojarzenia 
(6). 

Obowiązuje 

on 

dla 

gazowych 

układów 

kogeneracyjnych  z  silnikami  spalinowymi  i  turbinami 
gazowymi. 

Wpływ  wartości  poszczególnych  składników  wzoru  (8) 

na  procesową  oszczędność  energii  chemicznej  paliw 
pierwotnych przeanalizowano na rys. 4. Podkreślić należy, 
że wybór różnych sprawności elektrowni granicznej jest w 
zgodzie  z  zasadą  dostępu  stron  trzecich  do  sieci  (TPA)  w 
myśl, której odbiorcy przysługuje prawo wyboru dostawcy  
energii.  Z  drugiej  strony  wpływ  na  oszczędność  energii 
chemicznej 

ma 

również 

odmienność 

stopień 

nowoczesności  porównywanych  technologii..  Z  tego 
powodu  dla  analizy  efektów  uzyskiwanych  przez  gazowe 
układy  skojarzone  jako  elektrownię  graniczną  w  zasadzie 
należy  przyjmować  również  nowoczesny  układ  gazowy 
(np. siłownię gazowo-parową). 

background image

Dla  przyjętego  zakresu  zmienności  poszczególnych 

parametrów  układu  skojarzonego  i  układów  granicznych 
obliczono  również  względną  oszczędność  energii 
chemicznej paliw. Wyniki zilustrowano na rys. 5. 

Dla  uproszczenia  obliczeń  założono,  że 

η

tp,

 η´

tp, 

η

p, 

η´

p 

 

są równe jedności (co odpowiada porównywaniu układów 
loco  źródło  energii).  Wartość  (

)  odniesioną  do 

energii  elektrycznej  wytwarzanej  w  skojarzeniu  można  w 
tym przypadku po wykorzystaniu (6), (7) oraz (8) obliczyć 
z zależności: 

d

W

P

&

 

 





+

=

ES

Ek

Eel

S

d

N

W

P

η

ση

η

1

1

1

&

 

(9) 

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.14 0.16

0.18

0.2

0.22 0.24

0.26 0.28

0.3

0.32 0.34

0.36 0.38

0.4

0.42

η

S

FESR

1 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

3 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł=0.90; EUF=0.70)

4 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

5 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.70)

6 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2

5

4

1

3

6

 

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.14 0.16 0.18

0.2

0.22 0.24 0.26 0.28 0.3

0.32 0.34 0.36 0.38 0.4

0.42

η

S

O

sz

ce

dność

 e

ne

rgi

i c

he

m

ic

zn

ej

 pa

li

w

kW

 n

a k

W

 en

erg

ii elek

try

czn

ej wy

two

rzo

n

w sk

oj

arzen

iu

1 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

3 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.90; EUF=0.70)

4 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

5 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.70)

6 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2

5

4

1

3

6

 

Rys.  5.  Względna  oszczędność  energii  chemicznej  paliw 
przypadająca 

na 

jednostkę 

energii 

elektrycznej 

wytworzonej w skojarzeniu 

 

Jak wynika z rysunku 5 w wyniku stosowania typowych 

gazowych układów kogeneracyjnych możliwa oszczędność 
energii  chemicznej  paliw  loco  układy  wytwórcze  może 
osiągać  wartości  przewyższające  45  %.  Uwzględniając 
efekt  skumulowany,  można  stwierdzić,  że  oszczędność  ta 
będzie  jeszcze  większa.  Z  drugiej  strony  najmniejszą 
oszczędność  energii  chemicznej  paliw  uzyskano  przy 
wysokiej 

sprawności 

elektrowni 

zastąpionej 

(np. 

nowoczesny  układ  kombinowany  gazowo-parowy).  W 
analogiczny sposób oszacować można zmniejszenie emisji 
substancji szkodliwych, zwłaszcza CO

2

.  

Rys. 4. Oszczędność energii chemicznej paliw 
przypadająca na jednostkę energii elektrycznej 
wytworzonej w skojarzeniu 
 

Na  rysunku  4  można  zaobserwować  trzy  rodzaje 

przebiegu  krzywych  opisanych  równaniem  (9)  w  funkcji 
sprawności 

η

S

, dla różnych wartości  EUF oraz 

η

Eel

η

Ek

a)  EUF  = 

η

Ek 

-  oszczędność  energii  chemicznej  paliw 

przyjmuje  wartość  stałą  wyrażoną  wzorem  (9), 
niezależną  od  sprawności  wytwarzania  energii 
elektrycznej w silniku czy turbinie gazowej (krzywe 1 
i 6 na rys. 4), 

Przykładowe 

wartości 

efektów 

procesowych 

systemowych  uzyskanych  dla  rzeczywistych  urządzeń 
przedstawiono  w  tablicy  1.  Wyniki  obliczeń  pokazują,  że 
stosowanie 

nowoczesnych 

układów 

gazowych, 

realizujących  skojarzony  proces  wytwarzania  ciepła  i 
energii  elektrycznej,  w  stosunku  do  klasycznego  sposobu 
wytwarzania tych nośników daje duże możliwości redukcji 
zużycia  paliw  i  emisji  CO

2

  (a  także  innych  substancji). 

Efekty te jednak nie są możliwe do uchwycenia na osłonie 
bilansowej  układu  lecz  w  systemie  (lub  wybranym  jego 
fragmencie).  Wielkość  systemu  przyjętego  do  analizy  jak 
również  sprawności  urządzeń  granicznych  mają  kluczowe 
znaczenie  dla  wyników  obliczeń.  Podkreślić  należy,  że  w 
lokalnych  systemach  energetycznych  wprowadzanie 
układów gazowych może doprowadzić do wzrostu zużycia 
paliw  kopalnych  oraz  do  zwiększenia  emisji  [1].  Sytuacja 
taka ma miejsce gdy w lokalnym systemie energetycznym 
dominuje  wykorzystanie  odnawialnych  źródeł  energii  lub 
energetyka jądrowa. 

b)  EUF < 

η

Ek

 - krzywa oszczędności energii chemicznej 

paliw  ma  przebieg  rosnący  (krzywe  3  i  5  na  rys.  4). 
Dodatnia  wartość  oszczędności  energii  chemicznej 
paliw  w  stosunku  do  gospodarki  rozdzielonej  zostaje 
osiągnięta po spełnieniu warunku: 

 

Eel

Ek

Ek

Eel

ES

EUF

η

η

η

η

η

>

 

(10) 

Wymagana  dla  uzyskania  dodatniej  wartości 
(

)  sprawność  energetyczna  zespołu  silnika 

(lub  turbiny)  i  generatora  jest  tym  mniejsza  im 
mniejsza  jest  sprawność  elektrowni  granicznej  oraz 
im  wyższy  jest  stopień  wykorzystania  energii 
chemicznej  paliwa  w  układzie  CHP  (bliższy 
sprawności energetycznej kotła). 

d

W

P

&

c)  EUF > 

η

Ek 

- krzywa oszczędności energii chemicznej 

paliw ma przebieg malejący (krzywe  2 i 4 na rys. 4). 

 

 

background image

Tablica 1 

PARAMETRY PRZYKŁADOWYCH UKŁADÓW CHP** 

 

Typ układu: 

Silnik tłokowy: 

JMS 320 GS-L.E. 

 Turbina gazowa: 

 Saturn 20 

(1) 

Moc elektryczna N

S

, kW 

1006 

1146 

Moc cieplna 

, kW 

S

Q

&

1318 

2747 

Energia napędowa,

, kW 

d

W

P

&

2593 

4898 

Wskaźnik skojarzenia 

σ 

0.763 

0.417 

Sprawność wytwarzania energii elektrycznej 

η

S

 

0.388 

0.234 

EUF 

0.896 

0.795 

Temperatura spalin do komina, 

O

120 

120 

Nośnik ciepła 

Gorąca woda (90/70 

O

C) 

Gorąca woda (90/70 

O

C) 

Ciepło z kotła gazowego i energia elektryczna dostarczana z sieci energetycznej są zastępowane przez 

nośniki wytwarzane w skojarzeniu 

Sprawność kotła gazowego 

η

Ek 

0.95 

Ilość energii chemicznej paliwa 

tworzenia 

ciepła w ilości 

, kW 

S

Q

&

 

1387 

 

2892 

Sprawność elektrowni granicznej 

η

Eel 

0.36 

Sprawność transformacji i przesyłu energii 
elektrycznej 

η

tp 

 

0.92 

Energia chemiczna paliwa zużyta w 

energii elektrycznej w ilości  N

S

, kW 

 

3037 

 

3460 

Suma energii zużywanej w kotle i elektrowni 

, kW 

(

R

d

W

P

&

)

4424 

6352 

Oszczędność energii chemicznej paliwa 

loco źródła, kW 

d

W

P

&

1831 

1454 

Względna oszczędność procesowa FESR 

0.414 

0.229 

Skumulowana oszczędność 

*

)

(

d

W

P

&

(2)

kW 

2000 

1634 

Względna oszczędność skumulowana FESR

(2)

 

0.431 

0.246 

Szacowane skumulowane zmniejszenie 
emisji CO

2

(3)

, kg/s 

0.235 

0.231 

Szacowane skumulowane względne 
zmniejszenie emisji CO

2

(3)

, % 

61.3 

45.2 

doprowadzonej do kotła w celu wy

elektrowni granicznej w celu wytworzenia 

(1)

 w warunkach ISO przy uwzględnieniu strat ciśnienia na wlocie i wylocie z turbiny 

(2)

 przyjęto sprawności dostawy paliwa: węgiel - 

; gaz - 

 

94

.

0

*

=

dw

η

98

.

0

*

=

dg

η

(3)

 przyjęto wskaźniki emisji: węgiel – 94 kg CO

2

/GJ; gaz - 56 kg CO

2

/GJ 

** dane producentów: Jenbacher A.G. (Austria), Solar Turbines (USA) 
 
 

3. SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPŁA, ZIMNA I 

ENERGII ELEKTRYCZNEJ 

 

Układy trójgeneracyjne zwykle budowane są w oparciu o 

silniki  spalinowe  tłokowe  lub  turbiny  gazowe  i  ziębiarki 
absorpcyjne  zasilane  spalinami,  parą  wodną  lub  gorącą 
wodą [10]. W wyjątkowych przypadkach, w zależności od 
zmienności  zapotrzebowania  na  poszczególne  nośniki 
energii  oraz  ich  wartości  ekonomicznej,  można  spotkać 
także  układy  z  wykorzystaniem  ziębiarek  sprężarkowych 

parowych  [9].  Często  także,  w  celu  zrównoważenia 
obciążeń  układu  w  czasie  stosuje  się  zasobniki  ciepła  i 
zimna.  

Obecnie  najczęściej  wykorzystywane  są  dwa  rodzaje 

chłodziarek absorpcyjnych: bromolitowe oraz amoniakalne. 
W  pierwszych  czynnikiem  roboczym  jest  woda,  przez  co 
ich  zastosowanie  jest  ograniczone  do  wytwarzania 
czynnika  chłodniczego  o  temperaturze  na  poziomie  ok.  5 

O

C.  Typowo  znajdują  one  zastosowanie  w  układach 

klimatyzacji,  głównie  z  powodu  mniejszych  nakładów 

background image

inwestycyjnych 

niż 

przypadku 

systemów 

amoniakalnych. 

Ziębiarki 

amoniakalne 

znajdują 

zastosowanie  głównie  w  układach  przemysłowych,  gdzie 
wymagane są temperatury wytwarzanego czynnika poniżej 

O

C. Przy zastosowaniu ziębiarek amoniakalnych możliwe 

jest głębokie mrożenie do temperatury nawet - 60 

O

C [13].  

Z  technicznego  punktu  widzenia  można  wyróżnić 

układy,  w  których  ciepło  i  zimno  wytwarzane  są 
równocześnie  oraz  układy  o  zamiennym  wytwarzaniu 
ciepła  lub  zimna  [12].  Dla  analizy  ogólnego  przypadku 
przyjęto wytwarzanie równoczesne w układzie pokazanym 
schematycznie  na  rys.  7.  Jest  to  układ  z  turbiną  gazową  i 
kotłem odzyskowym. Analizę dla układu z silnikiem można 
przeprowadzić w sposób analogiczny. 

Nowoczesne 

przemysłowe 

agregaty 

chłodnicze 

sprężarkowe ze sprężarkami śrubowymi charakteryzują się 
wysokimi  współczynnikami  efektywności  chłodniczej 

ε. 

Na  rysunku  6  dokonano  porównania  średniego 
współczynnika  efektywności  chłodniczej  dla  agregatów 
absorpcyjnych i sprężarkowych parowych w zależności od 
temperatury 

odparowania 

czynnika 

roboczego. 

Współczynnik  efektywności  chłodniczej  jest  definiowany 
następująco: 

 

Układ trójgeneracyjny

TURBINA

GAZOWA

KOCIO£

ODZYSKOWY

AGREGAT

ABSORPCYJNY

( )

T

ch

E

&

'

e l

N

''

el

N

Q&

CH

Q

&

GT

Q

&

D

Q&

''

'

el

N

 

- ziębiarka sprężarkowa:

el

CH

s

N

Q

&

=

ε

 

(11) 

- ziębiarka absorpcyjna: 

''

el

D

CH

a

N

Q

Q

+

=

&

&

ε

 

(12) 

 

gdzie: 

CH

&

N

Q

- wydajność chłodnicza, N

el

 - moc elektryczna 

napędowa, 

- moc napędu pomp chłodziarki 

absorpcyjnej, 

Q

- ciepło napędowe. 

''

el

&

D

Rys.  7.  Uproszczony  schemat  układu  trójgeneracyjnego  z 
turbiną  gazową,  kotłem  odzyskowym  i  amoniakalną 
ziębiarką absorpcyjną 

 

W celu opisu układu przedstawionego na rys. 7 

zdefiniowano następujące wskaźniki: 

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

temperatura odparowania czynnika, 

O

C

ε

 -

 a

gregaty 

spręż

a

rkowe

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

ε

 -

 a

gregaty 

absorpcyj

ne

sprężarkowe
absorpcyjne

 

- wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa w 
układzie trójgeneracyjnym: 

 

( )

T

ch

CH

el

T

E

Q

Q

N

EUF

&

&

&

+

+

=

'

 

(14) 

- wskaźnik zużycia energii elektrycznej w układzie: 

 

S

el

el

N

N

N

'''

''

+

=

δ

 

(15) 

 

- wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki 
absorpcyjnej: 

Rys.  6.  Średnie  współczynniki  efektywności  chłodniczej 
agregatów  sprężarkowych  i  absorpcyjnych  amoniakalnych 
w funkcji temperatury odparowania czynnika [8] 

 

S

D

Q

Q

&

&

=

α

 

(16) 

 

Przy  zakupie  energii  elektrycznej  z  sieci,  wytwarzaniu 

zimna w agregacie sprężarkowym oraz wytwarzaniu ciepła 
w  kotle  zużycie  energii  chemicznej  paliw  pierwotnych 
związane z pracą obiektu wyniesie: 

- wskaźnik zużycia energii elektrycznej w ziębiarce 
absorpcyjnej: 

 

D

el

Q

N

&

''

=

ω

 

(17) 

 

( )

Ek

s

CH

el

tp

Eel

Ek

tp

Eel

el

R

ch

Q

Q

N

Q

N

E

η

ε

η

η

η

η

η

&

&

&

&

+

+

=

=

+

=

'

1

 

(13) 

gdzie: 

-  zużycie  energii  na  potrzeby  własne  inne  niż 

napęd  pomp  ziębiarki, 

-  całkowite  ciepło  wytworzone 

w układzie skojarzonym. Wskaźnik 

α przyjmuje wartości z 

przedziału  (0,1),  wskaźnik 

ω  przyjmuje  wartości  0.005  - 

0.02  [8],  Wskaźnik 

δ  może  przyjmować  wartości  0.02  - 

0.05.  Wielkości 

η

'''

el

N

S

Q

&

GT

  oraz 

σ

 

stanowią  cechy  konstrukcyjne 

układu skojarzonego. 

gdzie: N

el

N’

el

 - całkowita moc elektryczna zużywana oraz 

moc elektryczna inna niż do napędu agregatu chłodniczego,  

- ciepło wytwarzane w kotle. 

Q

&

 

background image

Wykorzystując  zdefiniowane  wcześniej  wskaźniki,  po 

wykonaniu  przekształceń można dojść do zależności: 

 

Z  rysunku  8  wynika,  że  wraz  ze  zwiększaniem  ilości 

ciepła  do  napędu  ziębiarki  absorpcyjnej  zmniejsza  się 
wskaźnik  wykorzystania  energii  w  układzie.  Najwyższą 
wartość  przyjmuje  on  dla  układu  czysto  kogeneracyjnego 
(

α = 0). Stopień pogorszenia wskaźnika EUF

T

 zależny jest 

od temperatury ziębienia. Istotne jest również, że możliwa 
do  osiągnięcia  moc  chłodnicza  układu  przy  niskiej 
temperaturze odparowania czynnika jest zbliżona do mocy 
elektrycznej  układu.  Wraz  z  obniżaniem  temperatury 
ziębienia moc ta spada. 

- chwilowa moc elektryczna układu netto: 

 

 

(18) 

)

1

(

'

δ

=

S

el

N

N

- chwilowa moc cieplna układu: 

 

σ

α

=

1

S

N

Q

&

 

(19) 

- chwilowa moc chłodnicza układu: 

Zależność  określającą    oszczędność  energii  chemicznej 

paliw  uzyskaną  w  wyniku  skojarzonego  wytwarzania 
ciepła, zimna i energii elektrycznej przedstawia się w tym 
przypadku następująco: 

 

σ

ω

α

ε

)

1

(

+

=

a

S

CH

N

Q

&

 

(20) 

oraz  ostatecznie  do  relacji  na  wskaźnik  wykorzystania 
energii chemicznej w układzie trójgeneracyjnym: 

 

+

+

=

T

Ek

T

tp

Eel

s

CH

T

tp

Eel

el

ch

EUF

Q

EUF

Q

EUF

N

E

1

1

1

1

1

1

'

η

η

η

ε

η

η

&

&

&

 

(22) 

 





+

+

=

σ

α

ω

α

ε

δ

η

1

)

1

(

1

a

ES

T

EUF

  (21) 

Przykładowe  wartości  wskaźnika  wykorzystania 

energii  chemicznej  paliwa  w  układzie  trójgeneracyjnym 
oraz  mocy  chłodniczej  pokazano  na  rys.  8.  Obliczenia 
przeprowadzono  dla  układu  z  turbiną  gazową  GT35 
pracującą  w  warunkach  ISO.  Moc  elektryczna  turbiny 
brutto  wynosi  N

S 

=  16.68  MW,  sprawność 

η

ES

  =  30.8  %, 

wskaźnik  skojarzenia 

σ  =  0.682.  Ponadto  przyjęto 

wskaźniki: 

δ  =  0.04  oraz  ω  =  0.015  oraz  średni 

współczynnik efektywności chłodniczej  przedstawiony na 
rys. 6. 

Jest  to  oszczędność  bezpośrednia  loco  układy  wytwórcze 
wyrażona  w  kW  na  kW  energii  elektrycznej  netto 
uzyskanej  z  układu  trójgeneracyjnego.  W  przypadku 
globalnej  analizy  systemu  energetycznego  należy 
wykorzystać  odpowiednie  skumulowane  sprawności 
pozyskania i dostawy paliwa. 

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej α

EUF

T

temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej α

moc 

chł

odni

cza 

Q

CH

, MW

temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC

 

Na  rysunku  9  przedstawiono  wyniki  obliczeń  dla 

układu  z  turbiną  GT35  pracującej  w  warunkach  polskich. 
Przyjęto następujące wartości wskaźników [11]: sprawność 
elektrowni  systemowej 

η

Eel

  =  0.35,  sprawność 

transformacji i przesyłu 

η

tp

 = 0.92, sprawność energetyczną 

kotła 

η

Ek

 = 0.9.  

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej α

oszczędność 

energii 

chemicznej 

paliw

 

E

ch

, M

W

temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC

 

 
Rys.  9.  Oszczędność  energii  chemicznej  loco  układy 
wytwórcze  uzyskana  dzięki    wytwarzaniu  ciepła,  zimna  i 
energii elektrycznej w układzie z turbiną GT35 

Rys.  8.  Zmiany  wskaźnika  wykorzystania  energii 
chemicznej paliwa w układzie trójgeneracyjnym oraz mocy 
chłodniczej 

zależności 

od 

ilości 

ciepła 

wykorzystywanego  do  napędu  ziębiarki  absorpcyjnej  przy 
różnych temperaturach ziębienia 

 

Z  rysunku  9  wynika,  że  przy  skojarzonym 

wytwarzaniu  ciepła,  zimna  i  energii  elektrycznej  w 
układzie  z  turbiną  gazową,  kotłem  odzyskowym  i 

background image

amoniakalną 

ziębiarką 

absorpcyjną 

może 

zostać 

wygenerowana oszczędność energii chemicznej paliw. Jest 
ona jednak mniejsza niż w układzie skojarzonym cieplno-
elektrycznym. Szczególne duże zmniejszenie oszczędności 
energii występuje przy niskich temperaturach odparowania 
czynnika.  Podobny  efekt  występuje  również  w  przypadku 
obliczeń  zmniejszenia  emisji  substancji  szkodliwych. 
Wynika to głównie z niskiego współczynnika efektywności 
chłodniczej  ziębiarek  absorpcyjnych  w  stosunku  do 
uzyskiwanego przez ziębiarki sprężarkowe parowe. 
 

4. PODSUMOWANIE 

 

W  artykule  przedstawiono  analizę  możliwości 

zmniejszenia 

zużycia 

energii 

chemicznej 

paliw 

pierwotnych 

oraz 

zmniejszenia 

emisji 

substancji 

szkodliwych  wynikającą  ze  stosowania  nowoczesnych 
układów  skojarzonych.  W  niektórych  przypadkach 
uzyskane  wartości  są  znaczne.  Efekty  te  nie  występują 
jednak  bezpośrednio  w  analizowanym  układzie  lecz  w 
systemie energetycznym. 

Jak  pokazały  obliczenia  efekty  uzyskiwane  w 

układach  trójgeneracyjnych  są  mniejsze  niż  w  układach 
czysto  kogeneracyjnych.  Podkreślić  jednak  należy,  że 
zastosowanie  w  konkretnym  przypadku  skojarzonego 
systemu  wytwarzania  ciepła,  zimna  i  energii  elektrycznej 
może  doprowadzić  do  efektów  korzystniejszych,  jeżeli 
analizie poddany zostanie odpowiednio długi odcinek czasu 
(np.  rok).  Wykorzystanie  ciepła  do produkcji zimna może 
okazać się korzystne w przypadku gdy np. w okresie letnim 
zanika  zapotrzebowanie  na  ciepło  z  układu  skojarzonego 
przy 

niezmiennym 

zapotrzebowaniu 

na 

energię 

elektryczną.  

W  każdym  indywidualnym  przypadku  projektu 

budowy  gazowego  układu  skojarzonego,  głównym 
czynnikiem  decyzyjnym  będą  wskaźniki  opłacalności 
inwestycji. Mogą one ulec znacznej poprawie w przypadku 
zastosowania  w  stosunku  do  tego  typu  projektów 
odpowiednich  stymulatorów.  Może  to  być  preferencyjna 
polityka  kredytowa,  odpowiednie  uregulowania  prawne, 
system  dotacji  czy  inne.  Doświadczenia  krajów  UE 
pokazują,  że  działania  takie  mogą  doprowadzić  do 
szybkiego przyrostu liczby instalacji. Stopień wspomagania 
realizacji  danej  inwestycji  może  być  tu  uzależniony  od 
efektów  systemowych  jakie  do  jakich  prowadzi  dane 
rozwiązanie technologiczne. 
 

Literatura 

 
[1]  Agencja  COGEN  Europe:  EDUCOGEN  -  The  European 

Educational  Tool  on  Cogeneration,  Second  Edition.  Bruksela, 
Grudzień 2001 

[2]  Environmental aspects of Combined Heat and Power Systems – NO

x

 

Abatement  Techniques.  Raport  w  Komisji  europejskiej  ramach 
programu JOULE-THERMIE,. marzec 1997. 

[3]  Horlock  J.  H.  Cogeneration:  Combined  Heat  and  Power

Termodynamics and Economics. Pergamon Press 1987. 

[4]  Huang F.F.: Performance assessment parameters of a cogeneration 

system.    Materiały  międzynarodowej  konferencji  ECOS’96. 
Sztokholm, 1996. 

[5]  Kalina  J.,  Skorek  J.:  Skojarzone  wytwarzanie  ciepła  i  energii 

elektrycznej  w  urządzeniach  małej  mocy.  Gospodarka  Paliwami  i 
Energią nr 4/99, str. 12 - 15. 

[6]  Kalina  J.,  Skorek  J.:  Turbiny  gazowe  oraz  zasilane  gazem  tłokowe 

silniki  spalinowe  w  małych  układach  do  skojarzonego  wytwarzania 
ciepła i energii elektrycznej
. Gospodarka Paliwami i Energią nr 6/99, 
str. 2 – 8 

[7]  Kalina  J.:  Przegląd  metod  oceny  efektywności  procesu  konwersji 

energii  w  czasie  skojarzonego  wytwarzania  ciepła  i  energii 
elektrycznej.  Materiały  I  Konferencji  Naukowo-Technicznej  2000 
"Energetyka Gazowa". Szczyrk, 17-20.10.2000. 

[8]  Kalina  J.:  Skojarzone  wytwarzanie  ciepła,  zimna  i  energii 

elektrycznej  w  układzie  z  turbiną  gazową,  kotłem  odzyskowym  i 
amoniakalną  chłodziarką  absorpcyjną.  Materiały  II  Konferencji 
Naukowo-Technicznej  2002  „Energetyka  Gazowa”.  Szczyrk,  23-
26.04.2002. 

[9]  LeGoff  P.,  Hornut  J.M.:  Trigeneration:  combined  production  of 

power,  heat  and  cooling  with  integrated  energy  storage
Contemporary  Problems  of  Thermal  Engineering.  Gliwice-Ustroń, 
wrzesień 1998. 

[10]  Rubik  M.:  Aktualne  problemy  skojarzonej  gospodarki  cieplno-

chłodniczej w Polsce. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja. Nr. 
10/2000. 

[11]  Szargut  J.,  Ziębik  A.:  Podstawy  energetyki  cieplnej.  Wydawnictwo 

Naukowe PWN, Warszawa 1998. 

[12]  Tchouate Hèteu P.M. Bolle L.: Energy saving trough trigeneration: 

a  calculation  model.  Materiały  konferencji  “Power  Generation  and 
Sustainable Development”, Liege, Belgia, 2001 

[13]  Van  Winckel  W.H.,  Malewski  W.F.:  Cogeneration  and 

Refrigeration:  a  case  study.  Heating,  Piping  and  Air  Conditioning 
Engineering, grudzień 1989.