plik

190

ISSN 0137-3676

CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 42/5 (2011) 190÷193

www.cieplowent.pl

Słowa kluczowe: kogeneracja, silnik Stirlinga

Streszczenie

Przedstawiono analizę efektywności zastosowania źródła wy-

twarzającego w skojarzeniu energię elektryczną i ciepłą wodę

użytkową na potrzeby obiektu hotelowego.

Keywords: co-generation, Stirling engine

Abstract

An analysis of the effectiveness of an energy source applica-

tion is presented. The source can produce a combination of

electricity and hot water for the hotel building.

)

Dr inż. Marek Prymon; marek.prymon.pk@gmail.com

)

Dr inż.

Jan Wrona; jwrona@pk.edu.pl

Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza, Wydział Inżynierii

Środowiska, Politechnika Krakowska

Analiza ekonomiczna wykorzystania

agregatu kogeneracyjnego zbudowanego

z wykorzystaniem silnika Stirlinga

Economic Analysis of the Use of Co-Generation Unit with Stirling Engine

MAREK PRYMON*

)

JAN WRONA**

)

OGRZEWNICTWO

SILNIK

Stirlinga jest technologią nową, nie zakotwi-

czoną jeszcze na rynku europejskim, a na polskim prak-

tycznie nieznaną, pomimo że od zbudowania pierwszej

działającej maszyny przez Roberta Stirlinga upłynęło nie-

mal 200 lat. Ma on sprawność teoretyczną równą sprawno-

ści obiegu Carnota. W początkowym okresie praktyczna

realizacja tego obiegu termodynamicznego napotykała na

wiele trudności (szczególnie materiałowych), a budowa-

ne maszyny pomimo wysokiej teoretycznej sprawności

obiegu były nieefektywne, ciężkie i charakteryzowały się

niewielką trwałością. W ostatnich latach, dzięki postępowi

w dziedzinie inżynierii materiałowej, większość proble-

mów udało się pokonać.

Na świecie pojawiły się już pierwsze produkty handlo-

we oparte na tej technologii. Powodem zainteresowania

technologią silnika cieplnego ze spalaniem zewnętrznym

jest możliwość zastosowania do jego zasilania niemal do-

wolnego źródła ciepła. Można tutaj wykorzystać dowolne

paliwo organiczne, energię słoneczną lub ciepło odpado-

we. Obecnie w USA prowadzone są zaawansowane próby

z energią jądrową. Dodatkowo charakteryzuje się on wy-

soką sprawnością, bardzo niską emisją i długimi okresami

między-serwisowymi. Zastosowanie tej technologii umoż-

liwia bezpośrednie wykorzystanie w skojarzonej produkcji

energii wielu tanich paliw niskiej jakości, a przede wszyst-

kim paliw stałych.

Opracowany w Instytucie Inżynierii Cieplnej i Ochro-

ny Powietrza Politechniki Krakowskiej silnik SS1 jest

konstrukcją nowatorską, opracowaną na podstawie grun-

townego przeglądu rozwiązań technologicznych opraco-

wanych do tej pory w tej dziedzinie na świecie. Przed

opracowaniem dokumentacji technicznej wykonano do-

kładny kompleksowy model matematyczny całego urzą-

dzenia, pozwalający w sposób wirtualny przewidzieć pa-

rametry czynników, temperatury pracy i zużycie części.

W silniku zastosowano wiele nowatorskich rozwiązań,

takich jak, np. nowy rodzaj skojarzenia tłok-cylinder, na-

grzewnica.

Wykorzystując zaprojektowany silnik SS1 opracowa-

no modułowe agregaty kogeneracyjne ACSS1/ACSS2

o mocy odpowiednio 9 i 18 kW, tak, aby osiągnąć możli-

wie najwyższą sprawność oraz niewielkie wymiary.

Wyposażony w system recyrkulacji spalin, będzie do-

stosowany do połączenia z dowolnym kotłem albo pal-

nikiem gazowym albo olejowym. Dzięki temu możliwe

będzie oferowanie produktu zasilanego prawie dowolnym

źródłem ciepła. Agregaty kogeneracyjne są tym bardziej

opłacalne im dłużej pracują.

Wybrana moc pozwala na zastosowanie urządzenia lub

zestawu kilku urządzeń w obiektach takich, jak: szkoły, ho-

tele, pensjonaty, SPA, baseny, ciepłownie zasilające blok,

małe osiedle lub kilka domów jednorodzinnych (wspólno-

ty mieszkaniowe, spółdzielnie). W obecnej sytuacji praw-

nej i ekonomicznej w Polsce wymieniona grupa klientów

docelowych, inwestując w agregat kogeneracyjny zasilany

biomasą, może osiągnąć znaczne oszczędności, co wyka-

zano w dalszej części artykułu, w analizie wykonanej dla

rzeczywistego obiektu.

W dalszej perspektywie planowany jest rozwój typosze-

regu produktów opartych na opracowanej technologii ma-

szyny Stirlinga. Będą to agregaty o mocy do 50 kW.

Wprowadzanie tego produktu pozwoli na łatwiejszą

obsługę przez agregat obiektów o większym zapotrzebo-

waniu na moc. Możliwe będzie oferowanie produktów

CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 42/5 (2011)

191

o mocy elektrycznej od 9 do 100 kW w postaci jedno – lub

dwusekcyjnych urządzeń opartych na dwóch produktach

bazowych, silniku Stirlinga o mocy 9 kW oraz silniku Stir-

linga o mocy 50 kW.

Kogeneracja

Raport ekologiczny Komisji Unijnej w sprawie dostaw

energii (COM 2000 769 „Kierunki Europejskiej Stra-

tegii Dostaw Energii”) stwierdzał, że Unia Europejska

jest zależna w 50% od zewnętrznych dostaw energii. Do

2030 r. wskaźnik ten ma wzrosnąć do 70% przy utrzy-

maniu obecnych tendencji. Również pomimo czynionych

wysiłków wzrasta poziom emisji gazów cieplarnianych

w UE. W raporcie stwierdzono równocześnie, że UE ma

relatywnie ograniczony zakres wpływu na warunki do-

staw energii.

Spostrzeżenia te były podstawą do podjęcia decyzji

o opracowaniu nowych zasad polityki UE mających na

celu ograniczenie emisji oraz popytu na energię. Jed-

nym z kierunków, na który położono silny nacisk jest

wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych. Założe-

nia polityki energetycznej Unii Europejskiej w zakresie

rozwoju wykorzystania odnawialnych źródeł energii

przyjęto w pakiecie klimatyczno-energetycznym (Dy-

rektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/

WE z 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania sto-

sowania energii ze źródeł odnawialnych). Zakłada on

zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych

w bilansie energii finalnej Unii Europejskiej do 20%

w 2020 r.

Jako jeden z istotnych sposobów zaspokojenia potrzeb

energetycznych krajów Europejskich przyjęto kogenera-

cję, czyli skojarzone wytwarzanie energii (CHP – Com-

bined Heat and Power). Skojarzone wytwarzanie ciepła

charakteryzuje się obecnie najkrótszym czasem zwro-

tu spośród wszystkich inwestycji w odnawialne źródła

energii. Ze względu na sprzyjające przepisy prawne jest

to bardzo silnie rozwijająca się dziedzina gospodarki

energetycznej.

Ważny jest również aspekt ekologiczny, a szczególnie

redukcja CO

W tabeli 1 pokazano koszty redukcji CO

dla różnych

technologii (wg RIVM/ECN, April 2004). Wynika z niej,

że kogeneracja jest jednym z najtańszych sposobów na

zmniejszenie emisji CO

do atmosfery.

W Polsce inwestycje w kogeneracje stały się opłacalne

w ostatnich latach dzięki wprowadzaniu przepisów sty-

mulujących (Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy

z 9 grudnia 2004

w sprawie szczegółowego obowiązku za-

kupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wy-

twarzaniem ciepła) oraz systemu, tzw. kolorowych certy-

fikatów, czyli wydawanych przez prezesa Urzędu Regula-

cji Energetyki (URE) świadectw pochodzenia dla energii

elektrycznej wytworzonej z OZE (Ustawa z 10 kwietnia

1997 r. – Prawo energetyczne (Dz. U. z 2006 r. Nr 89, poz.

625, z późn. zm.), które są istotnym mechanizmem wspar-

cia dla potencjalnych inwestorów. Podstawą do ustalenia

wartości certyfikatu zielonego jest kwota 240 PLN/MWh,

czerwonego 28 PLN/MW, żółtego 130 PLN/MW (Towa-

rowa Giełda Energii).

Dodatkowym wsparciem są środki Unijne (np. Program

Operacyjny Infrastruktura i Środowisko, a w szczególnie

Priorytet IX: Infrastruktura energetyczna przyjazna środo-

wisku i efektywność energetyczna).

W zależności od rodzaju paliwa, którym zasilany będzie

silnik/agregat, można wyszczególnić:

a) kogenerację przy zastosowaniu gazu ziemnego jako

paliwa,

b) kogenerację przy zastosowaniu gazu wysypiskowe-

go oraz biogazu pochodzącego z fermentacji biomasy lub

osadu ściekowego, jako paliwa,

c) kogenerację przy zastosowaniu biomasy, jako paliwa,

d) produkcję energii elektrycznej (+ wykorzystanie cie-

pła odpadowego) z ciepła odpadowego z procesów prze-

mysłowych.

Odbiorcami docelowymi produktu mogą być przedsię-

biorstwa, w których występuje ciągłe zapotrzebowanie na

ciepło, takie jak:

– hotele, baseny, ośrodki SPA, ciepłownie osiedlowe,

obiekty biurowe, szpitale i ośrodki zdrowia, obiekty uży-

teczności publicznej, gastronomia itp. – podgrzewanie cie-

płej wody użytkowej + c.o.,

– oczyszczalnie ścieków, wysypiska odpadów – zago-

spodarowanie biogazu, gazu wysypiskowego oraz susze-

nie osadu ściekowego,

– zakłady przemysłowe – zagospodarowanie ciepła od-

padowego lub produkcja ciepła z wykorzystaniem bioma-

sy jako paliwa.

Dla większości tych przykładów może być zastosowany

dowolny rodzaj paliwa, w tym co jest szczególnie istotne,

biomasa.

Analiza ekonomiczna

W dalszej części artykułu przedstawiono analizę efek-

tywności zastosowania źródła wytwarzającego w sko-

jarzeniu energię elektryczną i ciepłą wodę użytkową

(c.w.u.) na potrzeby obiektu hotelowego. Jest to Ośro-

dek Szkoleniowo-Wypoczynkowy Regionalnej Dyrekcji

Lasów Państwowych położony w Puszczy Kozienickiej,

w miejscowości Jedlina Letnisko w województwie ma-

zowieckim.

W hotelu są 42 pokoje jedno- i dwuosobowe z łazien-

kami o tym samym wyposażeniu sanitarnym (umywalka,

prysznic). W analizie nie uwzględniono zaplecza kuchen-

nego znajdującego się w innym budynku. Jednostkowe

dobowe użycie ciepłej wody użytkowej V

o temperaturze

C wynosi 75 dm

/(j.o.)doba.

Roczne zapotrzebowanie na ciepło użytkowe do pod-

grzania ciepłej wody obliczono zgodnie z Rozporządze-

niem Ministra Infrastruktury z 6 listopada 2008 r. w spra-

wie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej

budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku sta-

nowiącej samodzielną całość techniczno użytkową oraz

TABELA 1. Porównanie kosztów redukcji emisji CO

dla

różnych technologii pozyskiwania/produkcji energii odna-

wialnej (wg RIVM/ECN, April 2004)

Efektywność mechanizmów dotacji na obniżenie CO

technologia

koszt, €/tonę CO

Kogeneracja

Spalanie odpadów zwierzęcych

Współspalanie biomasy

Kotły domowe o wysokiej sprawności

Przybrzeżne elektrownie wiatrowe

Czysta biomasa

Kolektory słoneczne

Energia fal i pływów

Ogniwa fotowoltaiczne

Samochody hybrydowe

160

200

250

1400

192

CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 42/5 (2011)

sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakte-

rystyki energetycznej, a zapotrzebowanie na ciepłą wodę

użytkową zgodnie z normą DIN 4708.

Obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło do podgrza-

nia ciepłej wody wynosi Q = 132,6 kWh (przy doborze

jednostkowego zapotrzebowania na ciepło dla każdego

rodzaju pokoju uwzględniono największy punkt poboru

ciepłej wody). Zapotrzebowanie na moc do podgrzania

c.w.u. wynosi Φ = 21,7 kW i w związku z tym, zapropo-

nowano agregat dwusekcyjny ACSS2 o mocy elektrycznej

18 kW i mocy cieplnej 22 kW. Roczne zapotrzebowanie

na energię do podgrzania ciepłej wody wynosi Q = 60218

kWh/rok. Całkowite roczne zapotrzebowanie na energię

końcową przez system do podgrzania ciepłej wody wynosi

Q=170688 kWh, to jest 614 469 MJ.

Przy takim zapotrzebowaniu na ciepło dobrano zasobnik

dla c.w.u. o pojemności V = 3 000 dm

W tabeli 2 przedstawiono porównanie kosztów energii

związanych z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej

oraz zaopatrzeniem w energię elektryczną opisanego bu-

dynku hotelowego.

Wzięto pod uwagę następujące przypadki:

A) Użytkownik wykorzystuje tradycyjne rozwiązanie

w postaci kotła gazowego + zakup energii elektrycznej;

B) Użytkownik wykorzystuje rozwiązanie w postaci ko-

tła na biomasę (pelety) + zakup energii elektrycznej;

C) Agregat (ACSS2) zasilany gazem;

D) Agregat (ACSS2) zasilany biomasą (pelety).

W tabeli 3 przedstawiono zestawienie porównania

wskaźników dynamicznych NPV, IRR oraz prosty czas

zwrotu SPBT obliczonych dla trzech różnych opcji I, II,

i III wyboru źródła energii elektrycznej i źródła ciepła

c.w.u..

W tabeli 4 przedstawiono przykładowe obliczenia war-

tości netto NPV dla opcji III, czyli gdy porówna się ze

sobą przypadek A (użytkownik wykorzystuje tradycyjne

rozwiązanie w postaci kotła gazowego + zakup energii

elektrycznej) oraz przypadek D (agregat ACSS2 zasilany

biomasą – peletami).

Wnioski

Przedstawiona analiza ekonomiczna w pełni wykazuje

opłacalność zastosowania agregatu kogeneracyjnego z sil-

nikiem Stirlinga w każdej z opcji. Szczególnie w przy-

padku opcji trzeciej, gdzie porównano tradycyjny kocioł

gazowy wraz z zakupem energii od zakładu energetyczne-

go (A) oraz agregat kogeneracyjny ACSS2 na pelety (D).

Roczny zysk wyniósł w tym przypadku ponad 97 000 PLN,

a prosty czas zwrotu 2,7 roku.

Zaprojektowany agregat kogeneracyjny ACSS1/ACSS2

daje możliwość prowadzenia procesu skojarzonej produk-

cji energii w obszarze niedostępnym, ani dla agregatów

z silnikami Otto, ani dla turbin parowych. Powodem tego

jest możliwość pracy na dowolnym paliwie i wynikają-

ca z tego możliwość spalania wprost biomasy, a ponadto

możliwość budowy małych i średnich instalacji (poniżej

400 kW).

Szczególnie należy zwrócić uwagę na takie aspekty jak:

●

Możliwość realizacji instalacji do skojarzonej pro-

dukcji energii dla obiektów o małym zapotrzebowaniu na

energię przy równoczesnej możliwości pracy na dowolnym

paliwie. Silnik Stirlinga jest tutaj szczególnie korzystny,

ponieważ poza nim nie istnieje obecnie technologia po-

zwalająca w małej i średniej skali prowadzić skojarzoną

produkcję energii, korzystając z paliw stałych (szczegól-

nie z biomasy).

●

Alternatywą pozwalającą na prowadzenie procesu

spalania zewnętrznego są urządzenia parowe. Jednak

turbiny parowe standardowo produkowane są o mocach

powyżej 1 MW. Turbina parowa jest urządzeniem bar-

dziej złożonym mechanicznie, drogim w porównaniu

TABELA 2. Porównanie kosztów eksploatacyjnych związa-

nych z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej oraz zaopa-

trzeniem w energię elektryczną dla budynku hotelowego

Wyszczególnienie

Przypadek

Zapotrzebowanie na ciepło

(c.w.u.), MJ

614469 614469 614469 614469

Zapotrzebowanie na ciepło do

zasilania agregatu, MJ

1 407 694 1 407 694

Sprawność kotła,%

Wartość opałowa

gaz, MJ/m

34,43

pelety, MJ/kg

18,1

Ilość zużytego

gaz, m

20996

40 886

pelet, kg

39940

77 773

Cena jednostki

gaz, PLN/m

1,97

pelet, PLN/kg

0,57

Cena jednostki prądu, PLN/kWh

0,47

Zużycie energii elektrycznej, kWh 170 400 170 400 170 400 170 400

Produkcja energii elektrycznej, kWh

139 652 139 652

Koszt konserwacji sprzętu, PLN

1 000

1000

3 500

Zysk ze sprzedaży energii

elektrycznej, PLN

Przychód ze sprzedaży

certyfikatów, PLN

17 457 37 706

Koszt zakupu sprzętu

251 000 267 400

Koszt zakupu

gazu, PLN

41 363

80 545

pelet, PLN

22766

44 331

Koszt energii elektrycznej, PLN

80088 80088 14 452 14 452

Całkowity koszt roczny

(eksploatacyjny), PLN

122 451 103 854 81 040 24 577

TABELA 3. Porównanie poszczególnych opcji, wartości

wskaźników NPV, IRR oraz SPBT

Opcja

Roczna

eksploatacja,

PLN

Zysk (r

oczny),

PLN

SPBT

, lata

NPV

(po 16 latach),

PLN

IRR,%

Kocioł gazowy + zakup energii (A) 122 451

41 411 6,1 75822 20

Agregat ACSS2 zasilany gazem (C) 81 040

Kocioł na pelety + zakup energii (B) 103 854

79 277 3,3 369496 92

Agregat ACSS2 na pelety (D)

24 577

III

Kocioł gazowy + zakup energii (A) 122 451

97 874 2,7 521824 308

Agregat ACSS2 na pelety (D)

24 577

CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 42/5 (2011)

193

z oferowanym silnikiem SS1, a instalacja ma znacznie

większe gabaryty. Dodatkowo jest urządzeniem pracu-

jącym na parze przegrzanej co stwarza dodatkowe pro-

blemy.

●

Wysoka sprawność konwersji energii. Silnik ma

teoretyczną sprawność równą sprawności obiegu Car-

nota (najwyższej teoretycznej sprawności maszyny

cieplnej).

●

Ostatnio, pojawiły się mikroturbiny gazowe o mocach

od 35 do 200 kW

, które napędzane są jednak wysokoener-

getycznymi paliwami kopalnymi, głównie gazem ziem-

nym (brak możliwości zasilania biomasą).

●

Zastosowanie biomasy daje znacznie korzyst-

niejsze wskaźniki ekonomiczne, w porównaniu do

klasycznie stosowanych obecnie instalacji zasilanych

gazem ziemnym, co wykazała analiza ekonomiczna

inwestycji w agregat kogeneracyjny. Kotły na biomasę

są obecnie urządzeniami w zasadzie automatycznymi.

Zasyp zasobnika paliwem wystarcza na długi okres

pracy, w zależności od wielkości zasobnika i mocy

urządzenia.

●

Dzięki małej liczbie części ruchomych, braku za-

nieczyszczeń, możliwa jest ciągła praca urządzenia

przy bardzo długich okresach między serwisowaniem.

Okresy między serwisowaniem, w przypadku silników

tłokowych pracujących według obiegu Otto, są krótkie.

Częstej wymiany wymagają, m.in. pierścienie, zawory,

głowica.

●

Możliwość pracy na gazie wysypiskowym lub bio-

gazie pozyskiwanym z fermentacji osadu ściekowego,

bez ryzyka uszkodzenia silnika przez kontakt wnętrza

cylindrów z tlenkami krzemu i innymi związkami dzia-

łającymi destrukcyjnie na elementy silnika. Na takie

działanie narażone są silniki tłokowe ze spalaniem

TABELA 4. Przykładowe obliczenia wartości bieżącej netto (NPV) w PLN dla porównania przypadków A i D (opcja III)

Rok Dochód

netto

Nakłady

inwestycyjne

Koszt

serwisu

Kredyt

bankowy

Spłata kredytu

/raty kapitałowe/

Przepływy

pieniężne

Skumulowane

przepływy

pieniężne

Współczynnik

dyskontujący

Zdyskontowane

przepływy

pieniężne

Skumulowane

zdyskontowane

przepływy

pieniężne

97875

267400

213920

58614

-14219

97875

55191

42683

28464

0,90

38454

24234

97875

51769

46106

74570

0,81

37421

61655

97875

48346

49529

124099

0,73

36215

97870

97875

44923

52952

177051

0,66

34881

132751

97875

274925

0,59

58084

190835

97875

372800

0,53

52328

243163

97875

470675

0,48

47142

290305

97875

568550

0,43

42470

332775

97875

28343

69532

638081

0,39

27182

359957

97875

735956

0,35

34470

394427

97875

833831

0,32

31054

425481

97875

931706

0,29

27977

453458

97875

1029580

0,26

25204

478662

97875

1127455

0,23

22706

501368

97875

1225330

0,21

20456

521824

wewnętrznym, gdyż paliwo jest spalane wewnątrz sil-

nika. Dlatego silniki te wymagają częstej, kosztownej

interwencji serwisu. W przypadku silników ze spala-

niem zewnętrznym, do których zalicza się silnik Str-

linga produkty spalania ani paliwo nie kontaktują się

bezpośrednio z wnętrzem silnika, a więc nie powodują

niszczenia jego części.

●

Nie ma większych problemów z przestawieniem się

z jednego rodzaju paliwa na inne.

●

Cicha praca agregatu. W silnikach Stirlinga nie na-

stępuje wybuch mieszanki paliwowo-powietrznej, a roz-

prężenie i sprężenie gazu jest płynne. Dzięki temu, urzą-

dzenia są znacznie cichsze, a brak obciążeń udarowych

wpływa korzystnie na trwałość konstrukcji.

L I T E R A T U R A

[1] Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 11 lutego

2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebo-

wanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmie-

niająca dyrektywę 92/42/EWG

[2] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z 9 grudnia 2004

w sprawie szczegółowego obowiązku zakupu energii elektrycznej

wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła (Dz. U. z 2004 r.

nr 267, poz. 2657)

[3] Arto Nuorkivi: Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej,

(CHP) Ciepłownictwo (DH), Krajowa Agencja Poszanowania Ener-

gii SA

[4] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego I Rady 2009/28/WE z 23

kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł

odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca Dyrektywy

2001/77/WE oraz 2003/30/WE

[5] http://www.mg.gov.pl

[6] norma DIN 4708

[7] Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z 6 listopada 2008 w spra-

wie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku

i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną

całość techniczno użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów

świadectw ich charakterystyki energetycznej