Transcript Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja

Innowacyjne technologie dla poprawy
efektywności energetycznej
Racjonalizacja użytkowania
energii w przedsiębiorstwie przemysłowym
Wojciech Stanek
[email protected]
Zabrze, 4 lipca 2013
Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja
Bułgaria
Estonia
Polska
Rumunia
Czechy
Litwa
Węgry
Słowacja
Łotwa
Cypr
Słowenia
Grecja
Malta
Finlandia
Portugalia
Irlandia
UE-27
Niemcy
Belgia
Holandia
Wielka Brytania
Hiszpania
Włochy
Luksemburg
Austria
Francja
Dania
Szwecja
POLSKA ( 1,13 kg / € )
- energochłonne gałęzie przemysłowe
( struktura PKB )
- niska sprawność energetyczna
( technologia )
- niekorzystna struktura paliw
0
0.2
0.4
średnia UE - 27
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Emisja CO2,
kg/€
Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja
7 lat
85 lat
Dostępność nośników
energii pierwotnej
© Wojciech Stanek; opracowano na podstawie www.bp.com
Nośnik energii
Jednostka
Ropa naftowa
USD/boe
68,5
89,0
USD/ tyś. m3
291,7
USD/t
101,3
Gaz ziemny
Węgiel
2007
2010
2015
2020
2025
2030
94,4
124,6
121,8
141,4
406,9
376,9
435,1
462,5
488,3
140,5
121,0
133,5
136,9
140,3
Ministerstwo Gospodarki: Polityka energetyczna Polski do 2030 roku
Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja
35
30
25
20
15
Aspekty ekologiczne
10
5
0
maj 05 maj 06 maj 07 maj 08 maj 09 maj 10 maj 11 maj 12
Externalities
Wielkość
Substancja
SO2
ck , zł/kg
0,43
wk , zł/kg
45,05
NOX
0,43
pył
CO2
0,29
0,00023
33,09 24,62
-
Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja
Pakiet 3x20:
- redukcja emisji gazów cieplarnianych o 20%
- wzrost efektywności energetycznej o 20%
- udział odnawialnych źródeł energii (OZE)
w ogólnej produkcji energii
Otoczenie zewnętrzne
Wsparcie prawne / finansowe
- certyfikaty dla gospodarki skojarzonej ( kogeneracji )
- certyfikaty dla OZE
- białe certyfikaty za efektywność energetyczną
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Podstawowe narzędzia powszechnie stosowane w analizach
techniczno-ekonomicznych:
- bilanse substancji
- bilans energii
- wskaźniki efektywności energetycznej
- wskaźniki efektywności ekonomicznej (SPB, DPB, NPV, IRR …)
Dodatkowe narzędzia termodynamiki:
- bilans egzergii
- koszt egzergetyczny
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Słowo energia jest używane w dwu znaczeniach.:
W języku fizyki
wielkość podlegającą prawu zachowania. Może ona
przepływać między różnymi postaciami materii i
zmieniać swoją jakość, nie można jednak jej ani
stworzyć ani zniszczyć.
W języku potocznym
słowa energia używa się tylko dla takich postaci
energii, które charakteryzują się podwyższoną
jakością i nadają się do podtrzymywania biegu
procesów wytwarzających użyteczne efekty. Są to
więc takie postaci energii, które mają określoną
wartość ekonomiczną ( egzergia ).
Jan Szargut: Energia czy Egzergia. Rynek Energii, 10.2010
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Bilanse substancji
ZASADA ZACHOWANIA SUBSTANCJI – stała jest:
- liczba cząstek w procesach fizycznych,
- liczba pierwiastków w procesach chemicznych,
n in   n sys  n out
o sło n a b ila n so w a
 nu
 Gu
m nin
 m sys
n inG
 n sys
d
d
mnout
w
nGout
w
m in   m sys  m out
Steady state:
n in  n out
m in  m out
Bilans substancji – podstawa sporządzenia bilansu energii
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Bilanse energii
E in   E sys  E out
E in  E out
System może wymieniać energię
ze swoim otoczeniem za pomocą:
- pracy mechanicznej ( W )
- energii elektrycznej ( Eel )
- ciepła ( Q )
- energii przepływającej strugi ( H )
Energia strumienia substancji:
2


w



Er  m h 
 gh 
2


Energia wewnętrzna układu:
U sys
2


w
 m u  u 
 gh 
2


Równanie Gibbsa:
u  h  pv
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Sprawność energetyczna
metoda bezpośrednia (np. kocioł)
 EK
Q uz
m ( i1  i 4 )


E ch
m pal W d
metoda pośrednia (np. kocioł)
 EK  100 %   S
 S  S w _ fiz  S w _ chem  S st_fiz  S st_chem  S ot
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Sprawność energetyczna (przykładowe wartości)
Urządzenie
„Sprawność”
Kocioł parowy
0,90
Elektrownia parowa
0,40
Elektrociepłownia
0,80
Pompa ciepła sprężarkowa
4,00
Ziębiarka absorpcyjna
0,70
Ziębiarka sprężarkowa
1,50
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
Bilans energii (prezentacja graficzna)
100 GJ
57 GJ
22 GJ
Jan Szargut: Termodynamika. PWN Warszawa 1998
Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy
II Zasada Termodynamiki
Niemożliwe jest zbudowanie silnika, który w całości zamianiałby
ciepło napędowe w pracę (  < 100 % )
Przebieg nieodwracalnych procesów rzeczywistych jest zawsze
związany ze wzrostem entropii. Suma przyrostów wszystkich ciał
uczestniczących w zjawisku jest miarą nieodwracalnej utraty zdolności
do wykonania pracy
 L  T0   S
Prawo Gouya - Stodoli
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Procesy rzeczywiste – nieodwracalne
Skracanie łańcucha przemian
termodynamicznych =
= eliminacja
nieodwracalności
Jan Szargut: Termodynamika. PWN Warszawa 1998
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Ech = (100+120)-175 = 45 (20%)
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Ech = (250+120)-250 = 120 (32%)
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
TYP EC
Zakres mocy
kW
Sprawność
elektr., %
Sprawność
całk., %
Wskaźnik
skojarzenia
Turbina
Parowa
> 250
7 – 20
75 – 84
0,1 – 0,33
Turbina
gazowa (KO)
> 350
15 – 40
65 – 85
0,4 – 0,8
Turbina
gazowa (GP)
> 7000
35 – 55
73 – 85
< 1,45
Silnik
tłokowy
5 – 6500
25 – 40
70 – 90
0,5 – 1,0
Mikroturbina
25 – 450
25 - 30
75 - 85
0,5 – 0,65
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji
PES  
E ch , r  E ch , CHP
 PES   1 
E ch , r
 c , CHP 
Q CHP
E ch , CHP
1
 c , CHP
 c , ref
 el , CHP 

E el, CHP
E ch , CHP
 el , CHP
 el , ref
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji
PES  1 
1
 1
 E ec 
  ref


c

 ref
el




Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji
PES  1 
 u
 1
 E el 
  ref


c

 ref el




Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji
E el TG
S
TG
E el TP
TP
Q
Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji
P a liw o
S p a lin y
E el
0 .4
S
PES
G
Q
 E e l g B = 0 .8
0 .3
0 .7
0 .2
0 .1
0 .6
0 .7
Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007
0 .8
0 .9

1
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji - przykłady
V∙g
Eel tg1
η=0,88
tg1
0.27
K
1
V∙g
E
spaliny
el
η=0,9
0.25
2010
2009
0.23
2008
2007
0.21
Eel tg2
2006
tg2
G
2
K
2
η=0,85
PES
V∙g
G
1
spaliny
Q
0.19
2005
2004
0.17
0.56
0.58
0.6
0.62
б
0.64
0.66
0.68
2003
2002
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady
Elektrociepłownia z turbiną gazową
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady
P a liw o
S p a lin y
E el
S
G
Q
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady
Elektrociepłownia z silnikiem
tłokowym (gaz ziemny)
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady
50000000
40000000
40000000
30000000
30000000
20000000
PLN
PLN
20000000
10000000
10000000
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022
-10000000
-10000000
-20000000
-20000000
NPV
certyfikaty
CF*
bez certyfikatów
NPV
Elektrociepłownia z silnikiem tłokowym (metan kopalniany)
CF*
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)
CT
HT
F
AD
CHP
EL
FT
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)
CT
HT
F
AD
CHP
EL

FT
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)
Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja
Perspektywiczne technologie CHP w źródłach rozproszonych
Technologia
Stan
Koszt, zł/MWh
t=6400
t=4400
CHP turbina gazowa (g.z.) (0,5 – 7,0 MW )
K
256
298
CHP silnik gazowy (g.z.) ( 0,2 – 3,0 MW )
K
341
402
CHP ORC (biomasa) ( 0,5 – 2,0 MW )
D
384
548
CHP parowy (biomasa) ( 1,0 – 3,0 MW )
K
392
554
CHP silnik gazowy (biometan z odpadów) ( 0,1 – 2,0 MW )
D
284
446
CHP silnik gazowy (gaz z biomasy) ( 0,1 – 2,0 MW )
D
434
596
CHP turbina gazowa (zgazowanie biomasy) ( 0,5 – 5,0 MW)
P
469
663
CHP silnik (zgazowanie biomasy) ( 0,1 – 2,0 MW )
P
502
702
CHP ogniwo paliwowe (zgazowanie biomasy)
P
579
799
wg. Paska J. : Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych
Energia odpadowa
Zasady wykorzystania energii odpadowej
Nie ma technologii bezodpadowych
Często koszty wykorzystania energii odpadowej są mniejsze
niż koszty pozyskania paliwa na pokrycie tych potrzeb
Zmniejszenie ilości spalanego paliwa ma dodatkowo
korzystny wpływ na otoczenie
Energia odpadowa
Zasady wykorzystania energii odpadowej
ENERGIA ODPADOWA – fizyczna
1) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich
podwyższonej temperatury
2) egzergia fizyczna gazów odlotowych wynikająca z ich
podwyższonego ciśnienia
3) ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń
Energia odpadowa
Zasady wykorzystania energii odpadowej
ENERGIA ODPADOWA – chemiczna
wynika z różnicy składu chemicznego substancji odpadowej
w stosunku do powszechnie występujących składników otoczenia
1) energia chemiczna palnych gazów odlotowych
2) egzergia chemiczna niepalnych gazów odlotowych (np. egzergia chemiczna
azotu i gazów szlachetnych w procesie otrzymywania tlenu),
3) energia chemiczna palnych odpadów stałych (komunalnych i
przemysłowych),
4) egzergia chemiczna niepalnych odpadów przemysłowych
i komunalnych
Energia odpadowa
ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady)
1) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich
podwyższonej temperatury
Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001
Energia odpadowa
ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady)
1) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich
podwyższonej temperatury
Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001
Energia odpadowa
ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady)
2) egzergia fizyczna gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonego
ciśnienia,
Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001
Energia odpadowa
ENERGIA ODPADOWA
– fizyczna (przykłady)
3) ciepło chłodzenia elementów
konstrukcyjnych urządzeń,
Energia odpadowa
ENERGIA ODPADOWA – chemiczna (przykłady)
1) energia chemiczna palnych gazów odlotowych
Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001
40
Energia odpadowa (ocena zasobów)
Roczna ilość zaoszczędzonej en. napędowej
E Z   E E od
 E mnożnik oszczędności energii
E od
E
*
Z
energia odpadowa

E Zi

i
E Zi
*
 Ei
*
Ei
bezpośrednia oszczędność i-tej postaci energii napędowej
sprawność skumulowana wytwarzania i dostawy i-tej postaci
zaoszczędzonej energii
Energia odpadowa (ocena zasobów)
Rekuperacja
I1  P1 S T w 1  T ot 
I2  P1   P S T w 2  T ot 
  P W d  I1  I2
E Z    P W d  P1t n S T w 1  T w 2 
  T ot
T kal
  Tw 2
T kal
Energia odpadowa (ocena zasobów)
Nośnik ciepła dla zewnętrznych odbiorców


Q
NP  NZ
*
EZ  

*
*
  

Ec
dp
E el


*
dp
 Ec
NP
NZ

t
 n

skumulowana sprawność produkcji i dostawy paliwa
sprawność energetyczna produkcji ciepła
moc potrzeb własnych urz. pomocniczych instalacji odzyskowej
moc potrzeb własnych urz. pomocniczych instalacji zastąpionej
Energia odpadowa (ocena zasobów)
Paliwa odpadowe
E Z   Pod W d od
 E od
 E od
EP
tn
sprawność energetyczna zasilania paliwem odpadowym
sprawność energetyczna zasilania paliwem nieodpadowym
 E P   E od
Pod W d od
energia chemiczna odpadowa
Energia odpadowa (ocena zasobów)
Podwyższone ciśnienie gazów odlotowych
E
*
Z
 Br
 n g t n  g  MR T ot ln
p Br
p ot 
*
E el
sprawność egzergetyczna turbiny rozprężnej liczona w stosunku
do turbiny izotermicznej
n g
strumień gazów

stopień wykorzystania energii odpadowej
g
Energia odpadowa (ocena zasobów)
Uzasadnieni ekonomiczne
I 0  I  I t  I w
CF t

E
i
z ,i
k z , i  K e   K t  K w   K sr
Białe certyfikaty – Ustawa o efektywności energetycznej
Art. 20.
1. Przetarg wygrywają te podmioty, które zadeklarowały wartość
efektu energetycznego (ω), zawierający się w przedziale:
(t x ωśr ; ωmax),
gdzie:
t
–
ωmax –
ωśr
–
współczynnik akceptacji ofert określany przez ministra
właściwego do spraw gospodarki,
najwyższą zadeklarowaną w danym przetargu wartość
efektu energetycznego,
średnią wartość efektu energetycznego w danym przetargu
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Energia
80 GJ
I ZT
500 °C
100 GJ
22 GJ
1000 °C
40 °C
57 GJ
30 °C
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Stopień wartości ciepła
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Energia
Egzergia
80 GJ
32 GJ
I / II ZT
22 GJ
20 GJ
500 °C
100 GJ
100 GJ
1000 °C
40 °C
57 GJ
4 GJ
30 °C
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Pierwsza i druga zasada termodynamiki
I Law of Thermodynamics
HEAT AND WORK ARE THE SAME
II Law of Thermodynamics
HEAT AND WORK ARE DIFFERENT
All Joules are equal but some are
more equal than others
D. Rose (1986); Learning about Energy
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Bilans egzergii
Sprawność egzergetyczna
B
B w
P


1

Bd
F
Jednostkowe zużycie egzergii
B d
F
1
kB 


1
B w
P B
F  P  I 1
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Koszt egzergetyczny
k 
*
j
 I
n
 FT 
j 1
j
B
*
j
Bj

FT
PT
  ( MF )   DF 
( x )  I j ( x0 ) 
Analiza egzergetyczna i termoekonomia
Diagnostyka
p o d s y s te m (A )
p a liw o j = 1
i= 1
p o d s y s te m (B )
m o c e le k try c z n a
j= 7
m o c e fe k ty w n a
j= 6
p a ra z a s ila ją c a
j= 2
G
i= 2
s p a lin y
j = 1 1 (1 0 )
p a ra
w y lo to w a
j= 3
c ie p ło
j = 10
i= 4
w o d a z a s ila ją c a
j= 5
i= 3
s k ro p lin y
j= 4
i= 5
m o c e le k try c z n a d o n a p ę d u p o m p y
j= 8
o s ło n a b ila n s o w a
Δ(MF)
i
c ie p ło
j= 9
Δ(DF)
1
336,33
931,48
2
439,65
31,35
3
8,89
3,40
4
109,24
0,66
Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej
1.
Dopuszczaj do występowania strat egzergii tylko wówczas, gdy są one
niezbędne do ograniczenia nakładów inwestycyjnych
2.
Nie stosuj nadmiernych lub zbyt małych bodźców termodynamicznych
umożliwiających realizacje procesów
3.
Unikaj mieszania substancji różniących się temperaturą, ciśnieniem lub
składem chemicznym
Sama D., Szargut J.
Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej
4.
Unikaj chłodzenia gorącej substancji powietrzem atmosferycznym lub wodą
chłodzącą oraz podgrzewania powietrzem atmosferycznym lub wodą
chłodzącą czynnika mającego temperaturę niższą od temperatury otoczenia
5.
Procesy przeciwprądowe są zawsze bardziej termodynamicznie sprawne niż
współprądowe
6.
Staraj się by w sieciach wymienników ciepła w każdym wymienniku
temperatura końcowa jednego ze strumieni była bliska temperaturze
początkowej drugiego
Sama D., Szargut J.
Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej
7.
Pojemności cieplne strumieni wymieniających ciepło powinny być zbliżone.
Jeżeli występują duże różnice, spróbuj rozdzielić strumień o większej
pojemności cieplnej i skierować go do dwóch lub więcej wymienników ciepła
8.
Unikaj pośredniego nośnika ciepła pomiędzy rozpatrywanymi strumieniami
9.
Straty egzergii spowodowane przez tarcie hydrauliczne lub przez
nieodwracalny przepływ ciepła są tym większe im niższa jest temperatura w
procesie. Minimalizuj te straty szczególnie w temperaturze niższej od
temperatury otoczenia
Sama D., Szargut J.
Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej
10. Unikaj dławienia gazów i par
11. Lokalizuj sprężarki i wentylatory w miejscach o najniższej temperaturze
12. Eliminuj nieszczelność rurociągów, zaworów i komór spalania
13. Pamiętaj, że w systemach napędzanych energią chemiczną, jądrowa lub
mechaniczną straty ciepła odprowadzanego do otoczenia w skraplaczach
turbin, ziębiarek itp. Są wynikiem przemian nieodwracalnych
przebiegających w układzie
Sama D., Szargut J.
Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej
14. Unikaj sprężania pary uprzednio rozprężonej
15. Zmniejszając jakoś stratę egzergii staraj się nie zwiększać innej straty
występującej równolegle
16. Unikaj wydłużania łańcucha przemian termodynamicznych
17. Staraj się realizować procesy skojarzone wytwarzające więcej niż jeden
efekt użyteczny
Sama D., Szargut J.
Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej
18. Rozważaj zawsze wpływ proponowanych zmian energetycznych na
straty egzergii w innych ogniwach procesu
19. Pamiętaj, że koszt jednostki egzergii zwiększa się w miarę postępu
przemian termodynamicznych
20. Staraj się redukować straty egzergii w miejscach gdzie są one
największe lub w miejscach, gdzie koszty jednostki egzergii jest większy
Sama D., Szargut J.
Dziękuję za uwagę
Wojciech Stanek
Instytut Techniki Cieplnej
ul. Konarskiego 22
tel. 32 237 11 24
[email protected]
www.itc.polsl.pl