Transcript Pobierz
Slide 1
GMINNE / LOKALNE CENTRA
ENERGETYCZNE
Jan Kiciński
Przy współpracy:
J. Mikielewicz, E. Ihnatowicz, D. Butrymowicz, P. Lampart, S. Bykuć, G. Żywica
Slide 2
REWOLUCJA ENERGETYCZNA NA ŚWIECIE – TRZY FILARY:
-STANOWISKO USA – MNIEJ DROGIEJ ROPY OD NIEDEMOKRATYCZNCH KRAJÓW NAFTOWYCH
-NOWA POLITYKA ENERGETYCZNA UE – SŁYNNE 3X20, EMISJA CO2 KRYTYCZNA
-ŚWIATOWY WYBUCH INNOWACYJNYCH TECHNOLOGII ENERGETYCZNYCH
NOWY TREND: ROZPROSZONA ENERGETYKA ODNAWIALNA
PRODUKCJA EKOLOGICZNEJ ENERGII W SKOJARZENIU: POLIGENERACJA
ŹRÓDŁA ŚWIATOWE: NAJBARDZIEJ EFEKTYWNA TECHNOLOGIA TO
ZGAZOWANIE FERMENTACYJNE ROŚLIN ENERGETYCZNYCH I KONWERSJA
BIOMETANU W SKOJARZENIU (AGREGATY KOGENERACYJNE: SPRAWNOŚĆ KONWERSJI
ENERGII PIERWOTNEJ NA ENERGIĘ KOŃCOWĄ (CIEPŁO, PRĄD):
85%
Slide 3
Zielony Duch Kapitalizmu – Zielona rewolucja
Proces przemian ilustruje np.: transformacja koncernu General Electric (USA)
Prezes Jeff Immelt:
„Ostra polityka klimatyczna nie tylko nie grozi amerykańskiej
gospodarce, lecz wręcz jest warunkiem jej rozwoju”
Raport McKinsey:
Konsekwencje redukcji CO2 w USA: nakłady antyemisyjne będą zrównoważone
z naddatkiem przez zmniejszenie zużycia energii, wpływy ze sprzedaży nowych
technologii i uniezależnienia się od importu surowców.
Jeff Immelt:
„Potrzebne jest silne polityczne przywództwo, a mniej wiary w wolny rynek”.
Rada dla Polski:
Dziś waszych argumentów już nikt nie przyjmie. Spóźniliście się, a więc weźcie
się do roboty i nie walczcie z UE o emisje.
Źródło: Polityka, wyd.16, październik 2008, Niezbędnik Inteligenta, Edwin Bendyk, Zielony duch kapitalizmu
Slide 4
TENDENCJE: ENERGETYKA
ROZPROSZONA
oparta na odnawialnych źródłach energii – atrakcyjne rozwiązanie
Jako wprowadzenie:
„To co jest określane jako generacja rozproszona jest nowym modelem systemu elektroenergetycznego,
opartym na integracji w sieci elektrycznej wytwórców małej i średniej skali wykorzystujących nowe i odnawialne
technologie energetyczne. Prowadzić to może do nowej ery, w której tysiące lub miliony użytkowników
będzie dysponować własnymi źródłami , stając się zarówno konsumentami jak i producentami
energii elektrycznej.
Wszystkie te źródła będą połączone przez w pełni interaktywną i inteligentną sieć elektryczną. Ta rewolucja
wymagać będzie wyrafinowanych technik sterowania ……,ustanowienia nowych modeli dystrybucji energii…”.
Philippe Busquin
Komisarz Europejski ds. badań
CFHP: Poligeneracja rozproszona: duża liczba małych
jednostek wytwórczych produkujących ciepło, prąd i paliwa (gazowe lub
ciekłe) o małych mocach:
„Wirtualne przedsiębiorstwa” (virtual utility)
„Energetyka domowa” (home power system)
CFHP - Small-scale Combined Fuel, Heat and Power
Slide 5
Przyszłość – kooperacja:
Jest taki kraj - Dania
Scentralizowana produkcja
w połowie lat 80
Zdecentralizowana produkcja
dzisiaj
Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym
Slide 6
ENERGETYKA ROZPROSZONA - ZALETY
Nieefektywny System Zcentralizowany
produkcji energii elektrycznej
35%
energii
zużytej
w domu
Konwencjonalne
paliwo lub
biomasa
60% Strat wytwarzanie
en. elektrycznej
5% Strat
transmisji
90%
energii
zużytej w
domu
Kogeneracja rozproszona: Efektywna
produkcja energii elektrycznej w Mini-i
Mikrosiłowniach
10% Strat Wytwarzania
Slide 7
Energia odnawialna - obecne wyobrazenia:
biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa i energetyka
wiatrowa.
Czyli na rynku końcowym reprezentowana jest obecnie tylko w postaci energii elektrycznej.
Według tych wyobrażeń nie wypełnimy celów pakietu 3x20.
Konieczne są nowe technologie.
Ceny referencyjne technologii
elektroenergetycznych [PLN/MWh]
Najgorsze:
bloki węglowe
Najlepsze:
technologie
biomasowe
400
ceny uprawnień
do emisji CO2
min
10 euro/tonę
max
40 euro/tonę
300
Najlepsze:
200
Biometanowe
źródło kogeneracyjne
100
Najgorsze:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
bloki na wegiel
kamienny i brunatny
Technologia elektroenergetyczna
1. – blok jądrowy, sieć przesyłowa, 2 – blok na węgiel brunatny, sieć przesyłowa, 3 – blok na węgiel kamienny, sieć przesyłowa, 4 –
kogeneracyjne źródło gazowe, sieć 110 kV, 5 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć ŚN, 6 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć nN, 7 –
zintegrowana technologia wiatrowo-gazowa, sieć 110 kV, 8 – biometanowe źródło kogeneracyjne, sieć ŚN, 9 – mała elektrownia wodna,
sieć ŚN, 10 – ogniwo paliwowe.
Źródło: J. Popczyk – Program IERE, H. Kocot.
Slide 8
Opłacalność produkcji
Technologia
OZE
Cena
rynkowa
[PLN/
MWh]
Dopłat
a min
[PLN/M
Wh]
Dopłat
a max
[PLN/M
Wh]
Cena " zielonej"
energii elektrycznej
[PLN/MWh]
IRR kapitału
własnego
dolna
118+154
górna
118+190
przy
cenie
dolnej
przy cenie
górnej
Mała elektrownia
wodna *
118
154
190
272
308
4,02%
6,18%
* Elektrownia
wiatrowa*
118
154
190
272
308
8,13%
10,79%
Duża elektrownia
wodna*
118
154
190
272
308
7,90%
10,17%
Elektrociepłowni
a opalana
biomasą
118
154
190
272
308
19,15%
22,82%
Współspalanie
biomasy
elektrowni
kondensacyjnej
118
154
190
272
308
80,08%
100,33%
Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym
Slide 9
A u nas?
Podstawowe aktualne dokumenty:
-Polityka Energetyczna Polski – Strategia do 2030 roku.
Projekt Ministerstwa Gospodarki
-Program IERE (Innowacyjna Energetyka. Rolnictwo Energetyczne)
Projekt Ministerstwa Gospodarki/Rolnictwa
-Program Rozwoju Biogazowni Rolniczych
Projekt Ministerstwa Gospodarki/Rolnictwa
Bezpieczeństwo energetyczne - energia z własnych zasobów - energetyka odnawialna
Generacja rozproszona - Lokalne wykorzystanie zasobów
Produkcja energii w skojarzeniu: kogeneracja i poligeneracja w małej skali
Gminne Centra Energetyczne, Domowe Mikrosiłownie Kogeneracyjne
Slide 10
Pakiet klimatyczno-energetyczny wymusi zupełnie nowe spojrzenie
i nowe kalkulacje w polskiej energetyce
UE: CELE NA ROK 2020
20% redukcja emisji
gazów cieplarnianych
20% ograniczenie
zużycia energii
20% udział
odnawialnych
Obecne wyobrażenia o energetyce odnawialnej to:
biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa
i energetyka wiatrowa.
To spojrzenie musi się zmienić.
Wzrośnie rola rolnictwa energetycznego i technologii biomasowych
Koszty zakupu uprawnień do emisji CO2 wszystko zmienią
Energetyka odnawialna jest dotowana ( certyfikaty „zielone”, „czerwone” i „żółte” kosztują)
ale energetyka węglowa będzie też droga - koszt koniecznego zakupu uprawnień
do emisji CO2.
Slide 11
Biomasa Wiatr
0,3%
1,6%
2000
STRUKTURA I PERSPEKTYWY
ROZWOJU ENERGETYKI
ODNAWIALNEJ W POLSCE
źródło: Energia elektryczna ze źródeł niekonwencjonalnych
i odnawialnych w zakupach zakładów energetycznych,
Biuletyn URE 5/2001, Kamieński Z. (M.G.)
Stan obecny i perspektywy rozwoju wykorzystania energii
ze źródeł odnawialnych w Polsce
ECO-€URO-ENERGIA 2007
Woda
98,1%
2006
Biomasa
46%
Woda
48%
Woda
16%
Wiatr
31%
2.5-3 %
Udział OZE w produkcji energii
elektrycznej
Wiatr
6%
2010
7.5 %
Biomasa
53%
Rosnący udział biomasy!!!
Slide 12
ROLNICTWO ENERGETYCZNE - PROGRAM IERE
Podsumowanie: podstawowe założenia i przesłanki - rok 2020:
Użytki rolne: 18.6 mln ha
Użytki rolne niezbędne do pokrycia potrzeb żywnościowych 7.4 mln ha
Dostępne zasoby dla rolnictwa energetycznego 11.2 mln ha
Do 2020 r. wykorzystamy 25% użytków rolnych czyli 4.65 mln ha = ok.. 2 mln ha ekwiwalentnych
2 mln ha ekw. =160 TWh na rynku energii pierwotnej z rolnictwa energetycznego
Ponadto:
20 TWh z energii wiatrowej
6 TWh z energii wodnej
---------------------------------------------------------------Razem: 166 TWh z energii odnawialnej
Ile to będzie ?
Szacowany Rynek energii końcowej w Polsce w 2020:
Energia elektryczna: 190 TWh
Energia cieplna:
240 TWh
Paliwa transportowe: 210 TWh
-----------------------------------------------------------------Razem
640 TWh
Oznacza to, że udział energii odnawialnej może wynieść 166/640 = ok..
26%
w 2020r !!!
Polska w 2020 ma mieć wg założeń pakietu 3x20 15% udziału energii odnawialnych w całym polskim rynku energii końcowej
obejmującej energię elektryczną, cieplną i paliwa transportowe, czyli wystarczy ok.. 100 TWh. A zatem:
Polska może z nadwyżką wypełnić nasze zobowiązania względem UE
wynikające z pakietu 3x20
Źródło: J. Popczyk, Program IERE
Slide 13
Redukcja emisji CO2 (gazów cieplarnianych)
Roczna emisja całkowita CO2 wynikająca ze spalania węgla kamiennego i brunatnego - 254 mln ton
Przydział na 2008 przyanany przez KE - 208.5 mln ton
Brakuje: 45.5 mln ton uprawnień CO2,
Przyjmując koszt brakujących uprawnień ok.. 140zł/t CO2 daje to sumę 6.37 mld zł
Tymczasem tylko 1 mln ha ekw. obniża emisję CO2 o 56 mln ton!
(w wyniku substytucji spalania węgla kamiennego i brunatnego).Ten 1 mln ha ekw. jest realny już w 2013r.
Ile Centrów Energetycznych ? Skala wyzwań
Zakładamy, że Gminne Centrum Energetyczne może składać się z modułów kogeneracyjnych CHP-ORC o mocy elektrycznej
1 MWe
i cieplnej
4MWc (moc całkowita modułu kogeneracyjnego ok.. 5.5 MW uwzględniając straty przy
sprawności 90%).
Załóżmy,że Centrum pracuje w okresie 0.75 roku przy sprzedaży również chłodu (reszta to okres postoju )
Czyli 5.5 MWx0.75x12 miesięcyx30 dnix 24 h = 36 GWT
Do roku 2020:
Aby przerobić 160 TWh z rolnictwa energetycznego wg programu IERE (2 mln ha ekw. 2020 rok)
Potrzeba 160 TWh / 36 GWh = 4440 = ok..
5000 Gminnych Centrów Energetycznych !!!
(biogazowni skojarzonych z modułami kogeneracyjnymi ) o łącznej mocy elektrycznej 5000 MW.
W Polsce mamy 2489 gmin, czyli wypada ok..
2 biogazownie w każdej Gminie
Do roku 2013:
powinniśmy wybudować zakładając wykorzystanie 1 mln ha ekw. (wg programu IERE) 65 TWh / 36 GWh =
1800 Gminnych Centrów Energetycznych
Slide 14
OZE w Polsce: Scenariusze do 2020:
I. Do 2013 – zagospodarujemy 1 mln ha ekw, wybudujemy potrzebną ilość biogazowni i urządzeń kogeneracyjnych,
a także wybudujemy inne źródła odnawialne (siłownie wiatrowe, wodne) i wypełniamy z nadwyżką zobowiązania Polski
wynikajace z pakietu 3x20.
W efekcie możemy zgodzić się na pełny system aukcyjny w handlu przydziałami emisji CO2 w sektorze energetycznym,
tak jak planuje to Komisja Europejska. Oznacza to, że od 2013 r. producenci energii będą musieli nabywać na aukcjach
100 % potrzebnych uprawnień do emisji CO2 (tzw. pełny aukcjoning).
Przy dalszej rozbudowie potencjału rolnictwa energetycznego do 2020 (zagospodarowanie 2 mln ha ekw)
możemy czerpać korzyści z handlu przydziałami uprawnień do emisji CO2.
II.
Nie zdołamy wypełnić powyższego scenariusza. Takie obawy ma polski rząd i wielu ekspertów. Polska proponuje
rozwiązanie alternatywne, czyli aukcjoning częściowy: 2013 zakup tylko 20% uprawnień-reszta za darmo, w 2020 100%
zakupu na aukcji. Pomiędzy tymi latami stopniowy wzrost kwoty aukcyjnej.
Polska propozycja ma poparcie kilku krajów. Rząd polski uważa, ze czysta Europa tak, ale nie za wszelką cenę i nie
poprzez wyeliminowanie węgla z jej terytorium. Takie działania obniżą konkurencyjność unijnej gospodarki i zwiększą
globalną emisję CO2.
Bariery. Czy je pokonamy?
- Brak na terenach Gmin infrastruktury sieci elektroenergetycznych umożliwiających pełny odbiór wyprodukowanej energii
- Niestabilność rozwiązań prawnych np.: nagłe zmiany akcyzy. Polskie regulacje prawne i narodowy system wspierania
OZE muszą ulec zmianie. Propozycja: jednolity system certyfikacji zielonej energii elektrycznej, zielonego ciepła,
zielonego gazu i zielonej benzyny [J. Popczyk].
- Długofalowa i spójna strategia rozwoju sektora OZE - priorytet rządu
- Brak czytelnego rynku biomasy. Trzeba przełamać niechęć dużych przedsiębiorstw energetycznych do tworzenia grup
producenckich skupiających małych i średnich producentów biomasy.
- Brak krajowych wymagań co do jakości biogazu, nierównomierne rozmieszczenie gazowej sieci dystrybucyjnej.
A zatem: Jaki scenariusz?
Plany Ministerstwa Gospodarki:
1. „Program rozwoju biogazowni rolniczych” luty 2008. Do 2020 w każdej Gminie przynajmniej jedna
biogazownia rolnicza. Łączna moc el. 2-3 tys. MW.
2.
Program IERE ?
Slide 15
Gminne / Lokalne Centra Energetyczne na bazie upraw energetycznych
Biogazownie / biorafinerie skojarzone z urządzeniem poligeneracyjnym
Dedykowane uprawy roślin
energetycznych
Prąd
Biogazownia rolnicza fermentacyjna
Urządzenie Poligeneracyjne
CHP-ORC
Kukurydza
Chłód
Biogaz (biometan)
Transport drogowy
CNG i LNG. Zatłaczanie
do istniejacych sieci
gazowych na gaz
ziemny
Uprawy roślin lignocelulozowych
Biomasa wodna
Biorafinera
Paliwa II generacji
Biometanol
Wierzba
Ciepło
Slide 16
Biogazownie zintegrowane z modułami kogeneracyjnymi CHP. Klasyfikacja
mikroCHP-ORC 1-5 KWe
Domowe
Siłownie Kogeneracyjne
Mikrobiogazownie mikroCHP-ORC do 50 KWe
Obiekty użyteczności
publicznej
Biogazownie rolnicze
miniCHP-ORC 0.1 – 1.5 MWe
Gminne Centra
Energetyczne
Biogazownie komunalne / utylizacyjne
Biogazownie
Energetyczne
CHP-ORC 0.5 – 2 MWe
Gminne Centra
Energetyczne
Slide 17
Biogazownie / Biorafinerie
Biomasa
Zaczyn
Roślinna.
fermentacyjny
Uprawy
np.: gnojowica
dedykowane
szczepionki
np.: kukurydza
Odpady
komunalne,
ścieki
Biomasa
roślinna
Biogazownia
Rolnicza
Fermentacyjna
Biogazownia
Komunalna
Utylizacyjna
(technologie rozwojowe)
(technologie najbardziej
opanowane)
Biogaz / Biometan
Biomasa
lignolelulozowa
np.: wierzba
Biorafineria
(technologie rozwojowe)
Biometanol
Slide 18
Szacowany koszt instalacji GCE
Orientacyjny
koszt
kocioł wielopaliwowy spalający biomasę (z olejem termalnym w obiegu odbioru ciepła)
o mocy 6 MW
4 mln zł
kocioł wielopaliwowy wspomagający w okresach szczytowego zapotrzebowania na
ciepło o mocy 3 MW
2 mln zł
moduł ORC o mocy 1 MWel
7 mln zł
biogazownia rolniczo-odpadowa o wydajności zapewniającej pracę kotła z zakładaną
mocą
12 mln zł
zakład przetwarzania biomasy – wytwarzanie paliw stałych i ciekłych
4 mln zł
RAZEM
29 mln zł
Według obliczeń szacunkowych w Polsce potrzeba ok. 5000 GCE o
mocy elektrycznej 1 MW (5000 MW mocy elektrycznej)
5000 x 29 mln zł = 145 mld zł
gdyby zastosować tylko biogazownię + ORC
5000 X 23 mln zł = 115 mld zł
Źródło: W. Miąskowski ,K. Nalepa UWM Olsztyn
Slide 19
Korzyści z tworzenia GCE
produkcja
energetyczna
do 4 mln ha
produkcja
żywności
2,3 mln ha
odłogów i
ugorów
zmiana struktury produkcji
rolniczej i aktywizacja
niewykorzystanych obszarów
zmniejszenie emisji CO2
Zagospodarowanie
odpadów
produkcyjnych
i komunalnych
stworzenie miejsc pracy
100-150 tyś
wytworzenie 125TWh
energii z OZE
(22% udziału w polskim
rynku energii)
o 55 mln ton rocznie
Źródło: W. Miąskowski, K. Nalepa UWM Olsztyn
Slide 20
Co proponujemy?
Tam gdzie już istnieje zapotrzebowanie na ciepło (w gminach lub u odbiorców
indywidualnych)
zamiast tradycyjnej modernizacji przestarzałych kotłowni ( modernizacji na biomasę lub
biogaz ) i w dalszym ciągu wytwarzania tylko ciepła
proponujemy modernizację połączoną z wytwarzaniem ciepła i prądu a więc z
wyposażeniem kotła w generator prądu.
Proponujemy wytwarzanie „zielonego prądu” w kogeneracji w małej i rozproszonej skali
bazujące na lokalnych zasobach biomasy, czyli właśnie mCHP
W efekcie otrzymujemy znacznie wyższą „sprawność ekonomiczną”, ponieważ rynkowa
cena prądu jest znacznie wyższa niż ciepła.
Wskaźniki ekonomiczne wypadają jeszcze lepiej w przypadku poligeneracji, czyli
produkcji dodatkowo chłodu (cena chłodu jest najwyższa )
W przypadku małych mocy kalkulacja musi być inna: kocioł i tak musimy mieć. W mCHP
dodatkowo otrzymujemy prąd.
Prąd elektryczny jest tu jako „byproduct” ok.. 10-20% mocy – to czysty zysk.
Slide 21
Możliwe rozwiązania techniczne
Technologia ORC (Organic Rankine Cycle) na czynniki niskowrzące
dla obiegów parowych Mini – i Mikroturbin w kogeneracji
Wg naszej opinii jest to najbardziej obiecująca technologia o krótkim horyzoncie czasowym realizacji
Miniturbiny
(Gminne Centra Energetyczne)
Moc Cieplna: kilkaset KW do 5 MW
Moc elektr. Kilkadziesiąt KW do 1 MW
Mikroturbiny
(Domowe Mikrosiłownie Kogeneracyjne)
Moc Cieplna: kilkadziesiąt KW
Moc elektr. Kilka do kilkanaście KW
DWA ODRĘBNE OBIEGI: CZYNNIK NISKOWRZĄCY I WODA
CZYNNIK NISKOWRZĄCY
W POSTACI CIECZY
CZYNNIK NISKOWRZĄCY
W POSTACI PARY
WODA GORĄCA
mCHP-ORC
Slide 22
Dlaczego ORC ?
(na czynnik niskowrzący)
Cechy układów ORC w skali mini i mikro:
oferują (jako jedyne) wysoką elastyczność kogeneracji, w tym zapewniają w łatwy sposób możliwości
poligeneracji
możliwe rozwiązania modułowe: dostosowanie do istniejącej infrastruktury, obniżenie kosztów,
wymagane niskie kwalifikacje personelu do montażu, obsługi i serwisowania
występują tu niższe temperatury do ok.. 200 stop.C, podczas gdy w turbinie parowej ok.. 400 C, a wiec
tańsze materiały
zapewniają elastyczność współpracy z różnymi źródłami energii (także ciepło odpadowe)
Nasze założenia
w mCHP energia elektryczna będzie produkowana jako produkt uboczny –dodatkowy, przy zapewnieniu
normalnej produkcji ciepła, tym samym wykorzystując lepiej dostarczaną energię do domu zmniejszając
globalnie emisje szkodliwą dla środowiska towarzyszącą produkcji ciepła i energii elektrycznej.
mCHP może produkować ciepło i energię elektryczną z energii odnawialnych i tradycyjnych.
w najbliższych trzech latach mCHP będzie na rynku i spotka się z oczekiwaniami wielu przyszłych
użytkowników. Okres spłaty mCHP wynosi ok. 4-5 lat.
Slide 23
FILOZOFIA POLIGENERACJI
Stan obecny: modernizacja kotłowni
ciepło użytkowe
węgiel
biomasa
Wady: przestarzała infrastruktura kotłowni - częściowo modernizowana w oparciu o tradycyjne technologie,
bardzo duża konkurencja na rynku; niska atrakcyjność w porównaniu z indywidualnymi systemami grzewczymi
Przyszłość: poligeneracja mCHP ORC
energia elektryczna
biomasa
ciepło użytkowe
biogazownia
Na bazie ciepła uzyskiwanego z biomasy lub biogazu –
produkcja ciepła użytkowego, energii elektrycznej i chłodu
w innowacyjnej modułowej technologii z mikroturbiną ORC
klimatyzacja
Slide 24
Zastosowanie kogeneracji pozwala na pełne wykorzystanie egzergii ciepła
(potencjału temperaturowego)
985oC
85oC
80 kW ciepła
20 kW en. elektr. z elektrowni zaw.
(33% sprawności)
Tyle trzeba paliwa
bez kogeneracji
by uzyskać ciepło i prąd
80 kW ciepła + 20 kW energii elektrycznej z mikrosiłowni
(20 % sprawności) – 100 kW ciepła napędowego)
Tyle mniej potrzeba paliwa
w kogeneracji by uzyskać
tą samą ilość ciepła i
prądu
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 25
Minisiłownia mCHP ORC – Sprawność energetyczna i ekonomiczna
Sprawność energetyczna obu układów (z kogeneracją lub bez ) jest podobna
energia
elektryczna 20%
biomasa
ciepło 80%
Założenie:
max: 20%
udział en.
elektr.
biogaz
Zupełnie inaczej przedstawia się „sprawność ekonomiczna”
KOGENERACJA(CIEPŁO I PRĄD)
53%
47%
BEZ KOGENERACJI (TYLKO CIEPŁO)
Łącznie
70% więcej
w kogeneracji
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 26
Trójgeneracja poprzez zastosowanie mikrosiłowni ORC + klimatyzacja (sezon letni)
Ciepło do produkcji wody lodowej
(klimatyzacja) 60%
biomasa
Energia
elektryczna 15%
biogaz
ciepło 25%
TRÓJGENERACJA
52%
40%
TYLKO CIEPŁO
8%
Łącznie 130 % więcej
w odniesieniu do
produkcji ciepła
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 27
Poprawa efektywności mCHP poprzez zastosowanie turbiny gazowej
w układzie kombinowanym z miniturbiną ORC lub silnikiem spalinowym
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 28
Kogeneracja „kombinowana”poprzez zastosowanie mikrosiłowni ORC +
turbina gazowa
energia
elektryczna 38%
(Tu można przyjąć
większy udział niż
w ORC)
biomasa
ciepło 62%
biogaz
Sprawność „ekonomiczna”
75%
KOGENERACJA KOMBINOWANA
25%
TYLKO CIEPŁO
Łącznie 140 % więcej
w odniesieniu do produkcji ciepła
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 29
MINISIŁOWNIA BIOMASOWA
mCHP ORC
Biogazownia
fermentacyjna
biometanol
woda lodowa
czysty wodór
Odbiorniki energii
Mikroturbina
elektrycznej
Generator
ORC
90°C
Opcjonalnie:
Biorafineria lignocelulozowa
(zgazowarka + rafineria)
biometanol
biometan
olej
bioetanol
woda
gaz syntezowy
drewno, pelety
olej
Odbiorniki energii
cieplnej
Czynnik
niskowrzący
Kocioł wielopaliwowy
węgiel
50°C
Moc elektryczna:
od kilkudziesięciu kW do 1 MW
Slide 30
Propozycja rozwiązania modułowego układu ORC
minisiłowni biomasowej
Specjalne procesy
technologiczne (klimatyzacja)
90°C
Wielokrotny układ
N x ORC z generatorem
Odbiorniki energii
elektrycznej
olej
Odbiorniki energii
cieplnej
Obiegi
z naturalnym
czynnikiem
niskowrzącym
Kocioł
wielopaliwowy
50°C
Slide 31
BIOGAZOWNIA FERMENTACYJNA 0.5 MW
NOWOŚĆ: BIOMETAN Z ROŚLIN ZIELNYCH I WODNYCH !!!
( Nie ma takiej instalacji w kraju )
Kiszonki
BIOMETAN - UNIWERSALNE ŹRÓDŁO ENERGII
Rośliny energetyczne zielne:
ślazowiec, kukurydza i wodne
Rozdrabniacz i
mikser
Biogaz
(Biometan)
Zbiorniki fermentacyjne
Pozostałości
z produkcji biopaliw i
przemysłu spożywczego
Produkt
pofermentacyjny
Uszlachetnianie
biogazu
Slide 32
Dlaczego biogaz (biometan)
z fermentacji ?
Biogaz otrzymywany w procesie beztlenowej fermentacji metanowej rokuje na przyszłość
jako substytut gazu naturalnego i uniwersalne źródło taniej energii wykorzystywanej
lokalnie;
Produkcja biometanu jest czysta dla środowiska,
Biometan charakteryzuje się wyższym wskaźnikiem EROEI niż oleje roślinne.
Innowacyjność
biogazowni
Nowe technologie produkcji roślin energetycznych oraz modele „taśm” produkcji i konserwacji roślin dla
ciągłej podaży biomasy energetycznej wraz z niezbędnym zabezpieczeniem logistycznym;
Nowatorskie zasady prowadzenia procesu fermentacyjnego ze względu na kompozycję mikrobiologiczną
flory fermentacyjnej w zależności od parametrów wsadu biomasy do fermentacji;
Optymalizacja procesów biochemicznych bioreaktora w zależności od rodzaju biomasy roślinnej,
Wykorzystaniem biogazu w ogniwie paliwowym,
Slide 33
Biogazownie – kierunki rozwoju na przykładzie własnych rozwiązań
Krzemieniewski M., Dębowski M., Zieliński M., Jędzrzejewska – Cicińska M.
Z B IO R N IK R E T E N C Y JN Y
3
P o je m n o ść c zy n n a V = 5 ,0 m
P rz e w o d y tło czn e
O d p ły w n a d m ia ru
ś c ie kó w
Pom py M EPRO ZET
BRZEG
Stacja pilotująca reaktora
beztlenowego w Zakładzie
Mleczarskim w Łaszczowie
Slide 34
ZINTEGROWANA BIORAFINERIA
(0.5 MW 1000 l. etanolu dziennie)
NOWOŚĆ: WYTWARZANIE BIOETANOLU Z LIGNOCELULOZY!!!
BIOPALIWA II GENERACJI
Procesy chemiczne
• hydroliza enzymatyczna
Bioetanol
(spirytus)
• fermentacja cukrów
Surowiec roślinny
• uprawy energetyczne
• pozostałości roślinne
• „otoczenie”
Produkty
• paliwa/produkty chemiczne
• ciepło/energia elektryczna
Procesy termochemiczne
• piroliza
(olej pirolityczny)
• gazyfikacja
(gaz synteowy)
Gaz syntezowy
(drzewny)
Slide 35
Innowacyjność biorafinerii
Biokonwersja lignocelulozy do cukrów prostych i fermentacja do
etanolu,
Wyhodowanie nowych odmian roślin energetycznych o wysokiej wydajności biomasy,
Utylizacja pozostałości poprodukcyjnych i ścieków w uprawach energetycznych,
Współspalanie biomasy lignocelulozowej,
Budowa funkcjonalnych modeli demonstracyjno-eksperymentalnych technologii konwersji roślin
lignocelulozowych z upraw energetycznych,
BIOETANOL
(SPIRYTUS)
C2H5OH
Slide 36
MIKROSIŁOWNIE mCHP-ORC W ZAKRESIE MOCY
OD KILKUNASTU DO KILKUDZIESIĘCIU KW
mCHP-ORC
Cechy tego segmentu rynku
- Olbrzymi, potencjalny rynek, masowy indywidualny odbiorca
- Opłacalność ekonomiczna: prąd elektryczny jako „byproduct” ok.. 10-15% mocy – to czysty zysk. Kocioł i tak musimy mieć, - Łatwa możliwość trójgeneracji, czyli produkcji również chłodu, a więc wykorzystanie cały rok
Slide 37
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Mikro-siłownia zastępuje kocioł w układzie centralnego ogrzewania
1.
Zapotrzebowanie rynku w UK ocenia sie na kilka millionow
2.
Energia pierwotna wykorzystywana jest w ok. 90%
3.
Jednostki do 50 kWel
Slide 38
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Rozwiązania stosowane
Slide 39
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Rozwiązania stosowane
Slide 40
Mikroturbina Kogeneracyjna ORC
Nowy projekt IMP PAN
Turbina jednostopniowa
typu radialnego
N = 3 kW
n = 98000 rev/min
Widok izometryczny
1
2
d0
d2
d1
Model MES
Slide 41
Mikroturbina Kogeneracyjna ORC
Nowy projekt IMP PAN
Łożyska Foliowe specjalnego typu
smarowane czynnikiem roboczym
Widok izometryczny
Model MES
Slide 42
PROJEKT IMP PAN
Mikroturbina jednostopniowa
typu radialnego
Ne = 3 kW
n = 98000 rev/min
Slide 43
PROJEKT IMP PAN
Kocioł 25 KWc - Biomasa /pelety
Slide 44
TECHNOLOGIE STUDYJNE
Koncepcja systemu magazynowania energii
Układy PV (fotowoltaika)
Prąd
przemienny
Odbiorniki energii
elektrycznej
Klimatyzacja solarna
Sterowanie
elektrownia
wiatrowa
WIATR
Ogniwa paliwowe
Moc elektr. 8 KW
Moc cieplna 3 KW
Prąd
przemienny
Magazyn energii:
sprężone
powietrze
Prąd stały
8KW
ultra-niskospadowa
elektrownia
wodna
Prąd
przemienny
wodór
tlen
Produkcja H2
O2
Slide 45
Mikrosiłownia Wiatrowa
Tani wiatrak dla gospodarstw indywidualnych
Dlaczego turbiny wiatrowe ?
•
•
•
Najlepsze warunki dla rozwoju energetyki wiatrowej
Wielu potencjalnych użytkowników turbin wiatrowych
Przewidywana niska cena przy masowej produkcji
Innowacyjność
•
•
•
Nowe rozwiązania wirników poziomych i pionowych
Zaprojektowanie tanich, lekkich i łatwo rozbieralnych wież
Opracowanie systemów produkcji i wykorzystania energii
elektrycznej
Wykorzystanie nowoczesnych, lekkich materiałów na
wirniki i wieże
Wiatraki o osi poziomej
Wiatraki o osi pionowej
•
Jakie turbiny wiatrowe ?
•
Spodziewane główne zainteresowanie w mocach 3 kW sprzedaż w supermarketach
•
Nasza propozycja musi iść także w większe jednostki 10 –
15 kW dostępne na zamówienie
•
Należy rozważyć również wielkość przyciągającą uwagę ~ 500W zachęcającą do pierwszego zakupu
Slide 46
Siłownie wiatrowe małej mocy – Koncepcja magazynu energii
WIATR
Generator
Turbina 1:
wiatr do 4 m/s – ładowanie zbiornika powietrza
wiatr od 4 m/s – napęd generatora prądu
Sprężone powietrze
(magazyn energii)
Sprzęgło
Odbiorniki energii
elektrycznej
Turbina 2:
napęd generatora przy
wykorzystaniu sprężonego powietrza
Slide 47
Mikrosiłownie Wodne: Typoszereg turbin niskospadowych
dla proekologicznych małych elektrowni wodnych
Dlaczego powinniśmy zabiegać o rozwój małej energetyki wodnej w
makroregionie północnej Polski?
- W naszym makroregionie przeważają rzeki nizinne, o relatywnie niewielkich spadach,
poniżej 4 m słupa wody oraz dużym i stałym na przestrzeni roku natężeniu przepływu.
- Stopień energetycznego wykorzystania piętrzeń niskospadowych tych rzek jest znikomy.
Udział energetyczny obiektów piętrzących w
Polsce – około 50% stanowią obiekty
niskospadowe, wykorzystane w niewielkim
stopniu
10...20 m
KORZYŚCI
7...10 m
(15%)
4...7 m
(28%)
spad H = 2...4 m
(45%)
1.
Zwiększenie produkcji energii elektrycznej ze źródeł
odnawialnych
2.
Poprawa bezpieczeństwa energetycznego w regionie
3.
Zwiększenie ochrony środowiska, głównie poprzez
poprawę stosunków wodnych - podniesienie poziomu
wód gruntowych
4.
Rozwój infrastruktury turystycznej i rekreacyjnej
5.
Zmniejszenie bezrobocia w regionie
Slide 48
Idealne rozwiązanie - niskospadowe elektrownie wodne
z turbinami specjalnej konstrukcji.
parametry typoszeregu turbin niskospadowych :
• Spad :
H = (1.5 – 4 ) m sł. wody
• Przepływ:
Q = (0.3 – 12) m3/s
• Generowana moc:
Pe = (10 – 350) kW
• Przewidywana sprawność:
h = (75 – 85)%
• Wyróżnik szybkobieżności:
nSQ = (250-280)
Innowacyjność
•
nowy układ łopatkowy turbiny wodnej rurowej o wysokim wyróżniku szybkobieżności zaprojektowany z
wykorzystaniem nowoczesnych metod obliczeniowych i badawczych,
•
układ sterowania pracą turbiny z uwzględnieniem zmiany szybkości obrotowej jej wirnika,
•
nowoczesna metoda projektowania turbin wysokobieżnych zweryfikowaną na podstawie badań
doświadczalnych modelu,
•
metoda optymalizacji wykorzystania zasobów wodnych z uwzględnieniem aspektów środowiskowych i
nową metodę określania jednostkowej energii hydraulicznej turbiny wodnej na niskie spady.
Slide 49
Gminne Centra Energetyczne w Makroregionie Polski Północnej
- jakie szanse?
Zaplecze Badawcze – Finansowanie Projektów Badawczo-Rozwojowych:
Projekt „kluczowy” z listy indykatywnej
„Kompleksy agroenergetyczne…”
POIG
Projekt „klastrowy” BKEE
„Ekosiłownie Poligeneracyjne”
POIG
Zaangażowanie firm i koncernów:
Grupa Kapitałowa ENERGA SA (Nowe Podmioty:CBR, RNT)
Nowa strategia w zakresie odnawialnej energetyki rozproszonej
Zaangażowanie Gmin i Powiatów
Kisielice
Gniewino
Gmina Kępice
Kwidzyń
Zaangażowanie Pomorskiego Urzędu Marszałkowskiego
Slide 50
Klastery Innowacyjne
Regiony Wiedzy i Innowacji
Koordynacja klastrów poprzez
•POLSKIE PLATFORMY
TECHNOLOGICZNE lub
•WSPÓLNE INICJATYWY
TECHNOLOGICZNE
zin tegrow an e C en tra Z aaw an sow an ych Tech n ologii
k lastry tech n ologiczn e
Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym
Slide 51
PRZYKŁAD
GMINA MODELOWA
MODEL ENERGETYCZNY
Slide 52
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego w Gminie
Proces symulacji wytwarzania energii w układach kogeneracyjnych
•
Dokumentacje projektów technologicznych;
•
Dokumentacje projektów instalacji;
•
Dokumentacje eksploatacyjne;
•
Zbiory norm i uregulowań prawnych
Opracował : Januszewicz, SIMEX
Slide 53
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Model komleksu agroenergetycznego
Warstwa projekcyjna
Warstwa prezentacji
Warstwa kalkulacji
Warstwa aplikacji
Slide 54
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Model kompleksu agroenergetycznego
Warstwa prezentacji
Slide 55
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Technologia fermentacji etylowej wg. CPECh Wrocław
Slide 56
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Technologia biogazu wg. CPECh Wrocław
Slide 57
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Technologia estryfikacji etanowej wg. CPECh Wrocław
Slide 58
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Kogeneracja przy wykorzystaniu technologii ORC
Slide 59
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Bloki funkcjonalne
biogaz
osad
(ziemia ogrodowa)
gnojowica
odciek (ścieki)
Ekstruder
Silniki gazowe
słoma
Biogazownia
energia elektryczna
i cieplna
(kogeneracyjna)
wywar
mazut (opcjonalnie)
woda
fuzle
drożdże
zboże
Elektrociepłowni
a
rzepak
gliceryn
a
Tłocznia
makuchy
olej rzepakowy
Gorzelnia
KOH (katalizator)
etanol (99.8%)
lub
metanol
(99,7%)
(opcjonalnie)
pasza białkowa
Instalacja biodiesela
Odwadniacz
przepływ masy
przepływ energii
Ester (biodiesel)
Slide 60
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Przykład praktycznego zastosowania :
Produkcja biopaliw z upraw na powierzchni 1000 ha:
250 ha rzepak
250 ha trawy
250 ha pszenżyto
250 ha wierzba energetyczna
P
biowęgiel
Ilość paliwa
Energia paliwa
[ton]
KW
A L
etanol
I W O
biodisel
biogaz
525
350
219
3 734 000
3 649
1 946
1 826
25 951 300
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
60
Slide 61
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Przykład praktycznego zastosowania :
Produkcja bigazu z upraw na powierzchni 1000 ha:
250 ha lucerna
250 ha trawy
250 ha kukurydza
250 ha wierzba energetyczna
wynosi 6,5 mln. m3 przy bardzo niskim koszcie
produkcji wynoszącym 0,02zł w przeliczeniu na 1 kW
Dla porównania:
Koszt
1kW energii zawartej w gazie ziemnym 0,06 zł
Koszt
1kW energii zawartej w węglu kamiennym 0,03 zł
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
61
Slide 62
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego:
Łączna powierzchnia upraw 800 tys. ha, w tym:
454.000 ha zboża
340.000 ha rzepak
40.000 ha ziemniaki
15.000 ha buraki
Przeznaczając 25% upraw na cele energetyczne,
oraz odpady z hodowli zwierząt:
221.000
bydła
970,000 trzody
10.000.000 drobiu
można otrzymać biogaz o wartości energetycznej 8.880 GW,
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
62
Slide 63
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego:
Z upraw leśnych jest możliwe pozyskanie w celach
energetycznych:
225.000 ton drewna energetycznego;
180.000 ton drewna odpadowego
Łączna wartość energetyczna drewna wynosi w
przybliżeniu 1.250 GW,
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
63
Slide 64
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego wynosi więc:
8.880 GW z 25% produkcji rolnej
1.449 GW z odpadów hodowlanych
1.250 GW
z gospodarki leśnej
Łączny potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego wynosi w przybliżeniu 11.579 GW,
odpowiada to XX% zapotrzebowania energetycznego
województwa .
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
64
Slide 65
MODEL ENERGETYCZNY GMINY
wg R. Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008
www.egie.pl
Gmina modelowa: 12.500 mieszkańców, 39 km 2 powierzchni
(71% użytki rolne, 10 % użytki leśne)
Stan na dzisiaj:
Energia elektryczna: zapotrzebowanie pokrywane w całości przez energetykę zawodową
Struktura zużycia: ciepło
Struktura zużycia: paliwa transportowe
Założenie:
1.
2.
500 ha - areał na strefę energetyczną – uprawy kukurydzy
Centrum energetyczno-paliwowe powstanie wokół istniejącej gorzelni, do której dołączona zostanie
biogazownia z układem kogeneracyjnym o mocy 750 kWe i biorafineria (układ odwadniania spirytusu)
o wydajności 5 mln litrów rocznie oraz przetwórnia biopaliwa stałego o wyd. 6320 m3 biomasy
Slide 66
MODEL ENERGETYCZNY GMINY c.d.
Schemat ideowy działania Centrum
Źródło: Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008
Slide 67
MODEL ENERGETYCZNY GMINY c.d.
Uproszczona analiza ekonomiczna
Według przeprowadzonej analizy Centrum pokryje:
42% zapotrzebowania na energię elektryczną
39% zapotrzebowania na energię cieplną
25% zapotrzebowania na paliwa transportowe
W obu wariantach Centrum okazało się inwestycją opłacalną.
Stopa zwrotu IRR w wariancie II jest oczywiście wyzsza.
Źródło: Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008
Slide 68
TAKĄ ZIEMIĘ ZACHOWAJMY DLA PRZYSZŁYCH POKOLEŃ
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
GMINNE / LOKALNE CENTRA
ENERGETYCZNE
Jan Kiciński
Przy współpracy:
J. Mikielewicz, E. Ihnatowicz, D. Butrymowicz, P. Lampart, S. Bykuć, G. Żywica
Slide 2
REWOLUCJA ENERGETYCZNA NA ŚWIECIE – TRZY FILARY:
-STANOWISKO USA – MNIEJ DROGIEJ ROPY OD NIEDEMOKRATYCZNCH KRAJÓW NAFTOWYCH
-NOWA POLITYKA ENERGETYCZNA UE – SŁYNNE 3X20, EMISJA CO2 KRYTYCZNA
-ŚWIATOWY WYBUCH INNOWACYJNYCH TECHNOLOGII ENERGETYCZNYCH
NOWY TREND: ROZPROSZONA ENERGETYKA ODNAWIALNA
PRODUKCJA EKOLOGICZNEJ ENERGII W SKOJARZENIU: POLIGENERACJA
ŹRÓDŁA ŚWIATOWE: NAJBARDZIEJ EFEKTYWNA TECHNOLOGIA TO
ZGAZOWANIE FERMENTACYJNE ROŚLIN ENERGETYCZNYCH I KONWERSJA
BIOMETANU W SKOJARZENIU (AGREGATY KOGENERACYJNE: SPRAWNOŚĆ KONWERSJI
ENERGII PIERWOTNEJ NA ENERGIĘ KOŃCOWĄ (CIEPŁO, PRĄD):
85%
Slide 3
Zielony Duch Kapitalizmu – Zielona rewolucja
Proces przemian ilustruje np.: transformacja koncernu General Electric (USA)
Prezes Jeff Immelt:
„Ostra polityka klimatyczna nie tylko nie grozi amerykańskiej
gospodarce, lecz wręcz jest warunkiem jej rozwoju”
Raport McKinsey:
Konsekwencje redukcji CO2 w USA: nakłady antyemisyjne będą zrównoważone
z naddatkiem przez zmniejszenie zużycia energii, wpływy ze sprzedaży nowych
technologii i uniezależnienia się od importu surowców.
Jeff Immelt:
„Potrzebne jest silne polityczne przywództwo, a mniej wiary w wolny rynek”.
Rada dla Polski:
Dziś waszych argumentów już nikt nie przyjmie. Spóźniliście się, a więc weźcie
się do roboty i nie walczcie z UE o emisje.
Źródło: Polityka, wyd.16, październik 2008, Niezbędnik Inteligenta, Edwin Bendyk, Zielony duch kapitalizmu
Slide 4
TENDENCJE: ENERGETYKA
ROZPROSZONA
oparta na odnawialnych źródłach energii – atrakcyjne rozwiązanie
Jako wprowadzenie:
„To co jest określane jako generacja rozproszona jest nowym modelem systemu elektroenergetycznego,
opartym na integracji w sieci elektrycznej wytwórców małej i średniej skali wykorzystujących nowe i odnawialne
technologie energetyczne. Prowadzić to może do nowej ery, w której tysiące lub miliony użytkowników
będzie dysponować własnymi źródłami , stając się zarówno konsumentami jak i producentami
energii elektrycznej.
Wszystkie te źródła będą połączone przez w pełni interaktywną i inteligentną sieć elektryczną. Ta rewolucja
wymagać będzie wyrafinowanych technik sterowania ……,ustanowienia nowych modeli dystrybucji energii…”.
Philippe Busquin
Komisarz Europejski ds. badań
CFHP: Poligeneracja rozproszona: duża liczba małych
jednostek wytwórczych produkujących ciepło, prąd i paliwa (gazowe lub
ciekłe) o małych mocach:
„Wirtualne przedsiębiorstwa” (virtual utility)
„Energetyka domowa” (home power system)
CFHP - Small-scale Combined Fuel, Heat and Power
Slide 5
Przyszłość – kooperacja:
Jest taki kraj - Dania
Scentralizowana produkcja
w połowie lat 80
Zdecentralizowana produkcja
dzisiaj
Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym
Slide 6
ENERGETYKA ROZPROSZONA - ZALETY
Nieefektywny System Zcentralizowany
produkcji energii elektrycznej
35%
energii
zużytej
w domu
Konwencjonalne
paliwo lub
biomasa
60% Strat wytwarzanie
en. elektrycznej
5% Strat
transmisji
90%
energii
zużytej w
domu
Kogeneracja rozproszona: Efektywna
produkcja energii elektrycznej w Mini-i
Mikrosiłowniach
10% Strat Wytwarzania
Slide 7
Energia odnawialna - obecne wyobrazenia:
biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa i energetyka
wiatrowa.
Czyli na rynku końcowym reprezentowana jest obecnie tylko w postaci energii elektrycznej.
Według tych wyobrażeń nie wypełnimy celów pakietu 3x20.
Konieczne są nowe technologie.
Ceny referencyjne technologii
elektroenergetycznych [PLN/MWh]
Najgorsze:
bloki węglowe
Najlepsze:
technologie
biomasowe
400
ceny uprawnień
do emisji CO2
min
10 euro/tonę
max
40 euro/tonę
300
Najlepsze:
200
Biometanowe
źródło kogeneracyjne
100
Najgorsze:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
bloki na wegiel
kamienny i brunatny
Technologia elektroenergetyczna
1. – blok jądrowy, sieć przesyłowa, 2 – blok na węgiel brunatny, sieć przesyłowa, 3 – blok na węgiel kamienny, sieć przesyłowa, 4 –
kogeneracyjne źródło gazowe, sieć 110 kV, 5 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć ŚN, 6 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć nN, 7 –
zintegrowana technologia wiatrowo-gazowa, sieć 110 kV, 8 – biometanowe źródło kogeneracyjne, sieć ŚN, 9 – mała elektrownia wodna,
sieć ŚN, 10 – ogniwo paliwowe.
Źródło: J. Popczyk – Program IERE, H. Kocot.
Slide 8
Opłacalność produkcji
Technologia
OZE
Cena
rynkowa
[PLN/
MWh]
Dopłat
a min
[PLN/M
Wh]
Dopłat
a max
[PLN/M
Wh]
Cena " zielonej"
energii elektrycznej
[PLN/MWh]
IRR kapitału
własnego
dolna
118+154
górna
118+190
przy
cenie
dolnej
przy cenie
górnej
Mała elektrownia
wodna *
118
154
190
272
308
4,02%
6,18%
* Elektrownia
wiatrowa*
118
154
190
272
308
8,13%
10,79%
Duża elektrownia
wodna*
118
154
190
272
308
7,90%
10,17%
Elektrociepłowni
a opalana
biomasą
118
154
190
272
308
19,15%
22,82%
Współspalanie
biomasy
elektrowni
kondensacyjnej
118
154
190
272
308
80,08%
100,33%
Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym
Slide 9
A u nas?
Podstawowe aktualne dokumenty:
-Polityka Energetyczna Polski – Strategia do 2030 roku.
Projekt Ministerstwa Gospodarki
-Program IERE (Innowacyjna Energetyka. Rolnictwo Energetyczne)
Projekt Ministerstwa Gospodarki/Rolnictwa
-Program Rozwoju Biogazowni Rolniczych
Projekt Ministerstwa Gospodarki/Rolnictwa
Bezpieczeństwo energetyczne - energia z własnych zasobów - energetyka odnawialna
Generacja rozproszona - Lokalne wykorzystanie zasobów
Produkcja energii w skojarzeniu: kogeneracja i poligeneracja w małej skali
Gminne Centra Energetyczne, Domowe Mikrosiłownie Kogeneracyjne
Slide 10
Pakiet klimatyczno-energetyczny wymusi zupełnie nowe spojrzenie
i nowe kalkulacje w polskiej energetyce
UE: CELE NA ROK 2020
20% redukcja emisji
gazów cieplarnianych
20% ograniczenie
zużycia energii
20% udział
odnawialnych
Obecne wyobrażenia o energetyce odnawialnej to:
biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa
i energetyka wiatrowa.
To spojrzenie musi się zmienić.
Wzrośnie rola rolnictwa energetycznego i technologii biomasowych
Koszty zakupu uprawnień do emisji CO2 wszystko zmienią
Energetyka odnawialna jest dotowana ( certyfikaty „zielone”, „czerwone” i „żółte” kosztują)
ale energetyka węglowa będzie też droga - koszt koniecznego zakupu uprawnień
do emisji CO2.
Slide 11
Biomasa Wiatr
0,3%
1,6%
2000
STRUKTURA I PERSPEKTYWY
ROZWOJU ENERGETYKI
ODNAWIALNEJ W POLSCE
źródło: Energia elektryczna ze źródeł niekonwencjonalnych
i odnawialnych w zakupach zakładów energetycznych,
Biuletyn URE 5/2001, Kamieński Z. (M.G.)
Stan obecny i perspektywy rozwoju wykorzystania energii
ze źródeł odnawialnych w Polsce
ECO-€URO-ENERGIA 2007
Woda
98,1%
2006
Biomasa
46%
Woda
48%
Woda
16%
Wiatr
31%
2.5-3 %
Udział OZE w produkcji energii
elektrycznej
Wiatr
6%
2010
7.5 %
Biomasa
53%
Rosnący udział biomasy!!!
Slide 12
ROLNICTWO ENERGETYCZNE - PROGRAM IERE
Podsumowanie: podstawowe założenia i przesłanki - rok 2020:
Użytki rolne: 18.6 mln ha
Użytki rolne niezbędne do pokrycia potrzeb żywnościowych 7.4 mln ha
Dostępne zasoby dla rolnictwa energetycznego 11.2 mln ha
Do 2020 r. wykorzystamy 25% użytków rolnych czyli 4.65 mln ha = ok.. 2 mln ha ekwiwalentnych
2 mln ha ekw. =160 TWh na rynku energii pierwotnej z rolnictwa energetycznego
Ponadto:
20 TWh z energii wiatrowej
6 TWh z energii wodnej
---------------------------------------------------------------Razem: 166 TWh z energii odnawialnej
Ile to będzie ?
Szacowany Rynek energii końcowej w Polsce w 2020:
Energia elektryczna: 190 TWh
Energia cieplna:
240 TWh
Paliwa transportowe: 210 TWh
-----------------------------------------------------------------Razem
640 TWh
Oznacza to, że udział energii odnawialnej może wynieść 166/640 = ok..
26%
w 2020r !!!
Polska w 2020 ma mieć wg założeń pakietu 3x20 15% udziału energii odnawialnych w całym polskim rynku energii końcowej
obejmującej energię elektryczną, cieplną i paliwa transportowe, czyli wystarczy ok.. 100 TWh. A zatem:
Polska może z nadwyżką wypełnić nasze zobowiązania względem UE
wynikające z pakietu 3x20
Źródło: J. Popczyk, Program IERE
Slide 13
Redukcja emisji CO2 (gazów cieplarnianych)
Roczna emisja całkowita CO2 wynikająca ze spalania węgla kamiennego i brunatnego - 254 mln ton
Przydział na 2008 przyanany przez KE - 208.5 mln ton
Brakuje: 45.5 mln ton uprawnień CO2,
Przyjmując koszt brakujących uprawnień ok.. 140zł/t CO2 daje to sumę 6.37 mld zł
Tymczasem tylko 1 mln ha ekw. obniża emisję CO2 o 56 mln ton!
(w wyniku substytucji spalania węgla kamiennego i brunatnego).Ten 1 mln ha ekw. jest realny już w 2013r.
Ile Centrów Energetycznych ? Skala wyzwań
Zakładamy, że Gminne Centrum Energetyczne może składać się z modułów kogeneracyjnych CHP-ORC o mocy elektrycznej
1 MWe
i cieplnej
4MWc (moc całkowita modułu kogeneracyjnego ok.. 5.5 MW uwzględniając straty przy
sprawności 90%).
Załóżmy,że Centrum pracuje w okresie 0.75 roku przy sprzedaży również chłodu (reszta to okres postoju )
Czyli 5.5 MWx0.75x12 miesięcyx30 dnix 24 h = 36 GWT
Do roku 2020:
Aby przerobić 160 TWh z rolnictwa energetycznego wg programu IERE (2 mln ha ekw. 2020 rok)
Potrzeba 160 TWh / 36 GWh = 4440 = ok..
5000 Gminnych Centrów Energetycznych !!!
(biogazowni skojarzonych z modułami kogeneracyjnymi ) o łącznej mocy elektrycznej 5000 MW.
W Polsce mamy 2489 gmin, czyli wypada ok..
2 biogazownie w każdej Gminie
Do roku 2013:
powinniśmy wybudować zakładając wykorzystanie 1 mln ha ekw. (wg programu IERE) 65 TWh / 36 GWh =
1800 Gminnych Centrów Energetycznych
Slide 14
OZE w Polsce: Scenariusze do 2020:
I. Do 2013 – zagospodarujemy 1 mln ha ekw, wybudujemy potrzebną ilość biogazowni i urządzeń kogeneracyjnych,
a także wybudujemy inne źródła odnawialne (siłownie wiatrowe, wodne) i wypełniamy z nadwyżką zobowiązania Polski
wynikajace z pakietu 3x20.
W efekcie możemy zgodzić się na pełny system aukcyjny w handlu przydziałami emisji CO2 w sektorze energetycznym,
tak jak planuje to Komisja Europejska. Oznacza to, że od 2013 r. producenci energii będą musieli nabywać na aukcjach
100 % potrzebnych uprawnień do emisji CO2 (tzw. pełny aukcjoning).
Przy dalszej rozbudowie potencjału rolnictwa energetycznego do 2020 (zagospodarowanie 2 mln ha ekw)
możemy czerpać korzyści z handlu przydziałami uprawnień do emisji CO2.
II.
Nie zdołamy wypełnić powyższego scenariusza. Takie obawy ma polski rząd i wielu ekspertów. Polska proponuje
rozwiązanie alternatywne, czyli aukcjoning częściowy: 2013 zakup tylko 20% uprawnień-reszta za darmo, w 2020 100%
zakupu na aukcji. Pomiędzy tymi latami stopniowy wzrost kwoty aukcyjnej.
Polska propozycja ma poparcie kilku krajów. Rząd polski uważa, ze czysta Europa tak, ale nie za wszelką cenę i nie
poprzez wyeliminowanie węgla z jej terytorium. Takie działania obniżą konkurencyjność unijnej gospodarki i zwiększą
globalną emisję CO2.
Bariery. Czy je pokonamy?
- Brak na terenach Gmin infrastruktury sieci elektroenergetycznych umożliwiających pełny odbiór wyprodukowanej energii
- Niestabilność rozwiązań prawnych np.: nagłe zmiany akcyzy. Polskie regulacje prawne i narodowy system wspierania
OZE muszą ulec zmianie. Propozycja: jednolity system certyfikacji zielonej energii elektrycznej, zielonego ciepła,
zielonego gazu i zielonej benzyny [J. Popczyk].
- Długofalowa i spójna strategia rozwoju sektora OZE - priorytet rządu
- Brak czytelnego rynku biomasy. Trzeba przełamać niechęć dużych przedsiębiorstw energetycznych do tworzenia grup
producenckich skupiających małych i średnich producentów biomasy.
- Brak krajowych wymagań co do jakości biogazu, nierównomierne rozmieszczenie gazowej sieci dystrybucyjnej.
A zatem: Jaki scenariusz?
Plany Ministerstwa Gospodarki:
1. „Program rozwoju biogazowni rolniczych” luty 2008. Do 2020 w każdej Gminie przynajmniej jedna
biogazownia rolnicza. Łączna moc el. 2-3 tys. MW.
2.
Program IERE ?
Slide 15
Gminne / Lokalne Centra Energetyczne na bazie upraw energetycznych
Biogazownie / biorafinerie skojarzone z urządzeniem poligeneracyjnym
Dedykowane uprawy roślin
energetycznych
Prąd
Biogazownia rolnicza fermentacyjna
Urządzenie Poligeneracyjne
CHP-ORC
Kukurydza
Chłód
Biogaz (biometan)
Transport drogowy
CNG i LNG. Zatłaczanie
do istniejacych sieci
gazowych na gaz
ziemny
Uprawy roślin lignocelulozowych
Biomasa wodna
Biorafinera
Paliwa II generacji
Biometanol
Wierzba
Ciepło
Slide 16
Biogazownie zintegrowane z modułami kogeneracyjnymi CHP. Klasyfikacja
mikroCHP-ORC 1-5 KWe
Domowe
Siłownie Kogeneracyjne
Mikrobiogazownie mikroCHP-ORC do 50 KWe
Obiekty użyteczności
publicznej
Biogazownie rolnicze
miniCHP-ORC 0.1 – 1.5 MWe
Gminne Centra
Energetyczne
Biogazownie komunalne / utylizacyjne
Biogazownie
Energetyczne
CHP-ORC 0.5 – 2 MWe
Gminne Centra
Energetyczne
Slide 17
Biogazownie / Biorafinerie
Biomasa
Zaczyn
Roślinna.
fermentacyjny
Uprawy
np.: gnojowica
dedykowane
szczepionki
np.: kukurydza
Odpady
komunalne,
ścieki
Biomasa
roślinna
Biogazownia
Rolnicza
Fermentacyjna
Biogazownia
Komunalna
Utylizacyjna
(technologie rozwojowe)
(technologie najbardziej
opanowane)
Biogaz / Biometan
Biomasa
lignolelulozowa
np.: wierzba
Biorafineria
(technologie rozwojowe)
Biometanol
Slide 18
Szacowany koszt instalacji GCE
Orientacyjny
koszt
kocioł wielopaliwowy spalający biomasę (z olejem termalnym w obiegu odbioru ciepła)
o mocy 6 MW
4 mln zł
kocioł wielopaliwowy wspomagający w okresach szczytowego zapotrzebowania na
ciepło o mocy 3 MW
2 mln zł
moduł ORC o mocy 1 MWel
7 mln zł
biogazownia rolniczo-odpadowa o wydajności zapewniającej pracę kotła z zakładaną
mocą
12 mln zł
zakład przetwarzania biomasy – wytwarzanie paliw stałych i ciekłych
4 mln zł
RAZEM
29 mln zł
Według obliczeń szacunkowych w Polsce potrzeba ok. 5000 GCE o
mocy elektrycznej 1 MW (5000 MW mocy elektrycznej)
5000 x 29 mln zł = 145 mld zł
gdyby zastosować tylko biogazownię + ORC
5000 X 23 mln zł = 115 mld zł
Źródło: W. Miąskowski ,K. Nalepa UWM Olsztyn
Slide 19
Korzyści z tworzenia GCE
produkcja
energetyczna
do 4 mln ha
produkcja
żywności
2,3 mln ha
odłogów i
ugorów
zmiana struktury produkcji
rolniczej i aktywizacja
niewykorzystanych obszarów
zmniejszenie emisji CO2
Zagospodarowanie
odpadów
produkcyjnych
i komunalnych
stworzenie miejsc pracy
100-150 tyś
wytworzenie 125TWh
energii z OZE
(22% udziału w polskim
rynku energii)
o 55 mln ton rocznie
Źródło: W. Miąskowski, K. Nalepa UWM Olsztyn
Slide 20
Co proponujemy?
Tam gdzie już istnieje zapotrzebowanie na ciepło (w gminach lub u odbiorców
indywidualnych)
zamiast tradycyjnej modernizacji przestarzałych kotłowni ( modernizacji na biomasę lub
biogaz ) i w dalszym ciągu wytwarzania tylko ciepła
proponujemy modernizację połączoną z wytwarzaniem ciepła i prądu a więc z
wyposażeniem kotła w generator prądu.
Proponujemy wytwarzanie „zielonego prądu” w kogeneracji w małej i rozproszonej skali
bazujące na lokalnych zasobach biomasy, czyli właśnie mCHP
W efekcie otrzymujemy znacznie wyższą „sprawność ekonomiczną”, ponieważ rynkowa
cena prądu jest znacznie wyższa niż ciepła.
Wskaźniki ekonomiczne wypadają jeszcze lepiej w przypadku poligeneracji, czyli
produkcji dodatkowo chłodu (cena chłodu jest najwyższa )
W przypadku małych mocy kalkulacja musi być inna: kocioł i tak musimy mieć. W mCHP
dodatkowo otrzymujemy prąd.
Prąd elektryczny jest tu jako „byproduct” ok.. 10-20% mocy – to czysty zysk.
Slide 21
Możliwe rozwiązania techniczne
Technologia ORC (Organic Rankine Cycle) na czynniki niskowrzące
dla obiegów parowych Mini – i Mikroturbin w kogeneracji
Wg naszej opinii jest to najbardziej obiecująca technologia o krótkim horyzoncie czasowym realizacji
Miniturbiny
(Gminne Centra Energetyczne)
Moc Cieplna: kilkaset KW do 5 MW
Moc elektr. Kilkadziesiąt KW do 1 MW
Mikroturbiny
(Domowe Mikrosiłownie Kogeneracyjne)
Moc Cieplna: kilkadziesiąt KW
Moc elektr. Kilka do kilkanaście KW
DWA ODRĘBNE OBIEGI: CZYNNIK NISKOWRZĄCY I WODA
CZYNNIK NISKOWRZĄCY
W POSTACI CIECZY
CZYNNIK NISKOWRZĄCY
W POSTACI PARY
WODA GORĄCA
mCHP-ORC
Slide 22
Dlaczego ORC ?
(na czynnik niskowrzący)
Cechy układów ORC w skali mini i mikro:
oferują (jako jedyne) wysoką elastyczność kogeneracji, w tym zapewniają w łatwy sposób możliwości
poligeneracji
możliwe rozwiązania modułowe: dostosowanie do istniejącej infrastruktury, obniżenie kosztów,
wymagane niskie kwalifikacje personelu do montażu, obsługi i serwisowania
występują tu niższe temperatury do ok.. 200 stop.C, podczas gdy w turbinie parowej ok.. 400 C, a wiec
tańsze materiały
zapewniają elastyczność współpracy z różnymi źródłami energii (także ciepło odpadowe)
Nasze założenia
w mCHP energia elektryczna będzie produkowana jako produkt uboczny –dodatkowy, przy zapewnieniu
normalnej produkcji ciepła, tym samym wykorzystując lepiej dostarczaną energię do domu zmniejszając
globalnie emisje szkodliwą dla środowiska towarzyszącą produkcji ciepła i energii elektrycznej.
mCHP może produkować ciepło i energię elektryczną z energii odnawialnych i tradycyjnych.
w najbliższych trzech latach mCHP będzie na rynku i spotka się z oczekiwaniami wielu przyszłych
użytkowników. Okres spłaty mCHP wynosi ok. 4-5 lat.
Slide 23
FILOZOFIA POLIGENERACJI
Stan obecny: modernizacja kotłowni
ciepło użytkowe
węgiel
biomasa
Wady: przestarzała infrastruktura kotłowni - częściowo modernizowana w oparciu o tradycyjne technologie,
bardzo duża konkurencja na rynku; niska atrakcyjność w porównaniu z indywidualnymi systemami grzewczymi
Przyszłość: poligeneracja mCHP ORC
energia elektryczna
biomasa
ciepło użytkowe
biogazownia
Na bazie ciepła uzyskiwanego z biomasy lub biogazu –
produkcja ciepła użytkowego, energii elektrycznej i chłodu
w innowacyjnej modułowej technologii z mikroturbiną ORC
klimatyzacja
Slide 24
Zastosowanie kogeneracji pozwala na pełne wykorzystanie egzergii ciepła
(potencjału temperaturowego)
985oC
85oC
80 kW ciepła
20 kW en. elektr. z elektrowni zaw.
(33% sprawności)
Tyle trzeba paliwa
bez kogeneracji
by uzyskać ciepło i prąd
80 kW ciepła + 20 kW energii elektrycznej z mikrosiłowni
(20 % sprawności) – 100 kW ciepła napędowego)
Tyle mniej potrzeba paliwa
w kogeneracji by uzyskać
tą samą ilość ciepła i
prądu
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 25
Minisiłownia mCHP ORC – Sprawność energetyczna i ekonomiczna
Sprawność energetyczna obu układów (z kogeneracją lub bez ) jest podobna
energia
elektryczna 20%
biomasa
ciepło 80%
Założenie:
max: 20%
udział en.
elektr.
biogaz
Zupełnie inaczej przedstawia się „sprawność ekonomiczna”
KOGENERACJA(CIEPŁO I PRĄD)
53%
47%
BEZ KOGENERACJI (TYLKO CIEPŁO)
Łącznie
70% więcej
w kogeneracji
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 26
Trójgeneracja poprzez zastosowanie mikrosiłowni ORC + klimatyzacja (sezon letni)
Ciepło do produkcji wody lodowej
(klimatyzacja) 60%
biomasa
Energia
elektryczna 15%
biogaz
ciepło 25%
TRÓJGENERACJA
52%
40%
TYLKO CIEPŁO
8%
Łącznie 130 % więcej
w odniesieniu do
produkcji ciepła
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 27
Poprawa efektywności mCHP poprzez zastosowanie turbiny gazowej
w układzie kombinowanym z miniturbiną ORC lub silnikiem spalinowym
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 28
Kogeneracja „kombinowana”poprzez zastosowanie mikrosiłowni ORC +
turbina gazowa
energia
elektryczna 38%
(Tu można przyjąć
większy udział niż
w ORC)
biomasa
ciepło 62%
biogaz
Sprawność „ekonomiczna”
75%
KOGENERACJA KOMBINOWANA
25%
TYLKO CIEPŁO
Łącznie 140 % więcej
w odniesieniu do produkcji ciepła
Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart
Slide 29
MINISIŁOWNIA BIOMASOWA
mCHP ORC
Biogazownia
fermentacyjna
biometanol
woda lodowa
czysty wodór
Odbiorniki energii
Mikroturbina
elektrycznej
Generator
ORC
90°C
Opcjonalnie:
Biorafineria lignocelulozowa
(zgazowarka + rafineria)
biometanol
biometan
olej
bioetanol
woda
gaz syntezowy
drewno, pelety
olej
Odbiorniki energii
cieplnej
Czynnik
niskowrzący
Kocioł wielopaliwowy
węgiel
50°C
Moc elektryczna:
od kilkudziesięciu kW do 1 MW
Slide 30
Propozycja rozwiązania modułowego układu ORC
minisiłowni biomasowej
Specjalne procesy
technologiczne (klimatyzacja)
90°C
Wielokrotny układ
N x ORC z generatorem
Odbiorniki energii
elektrycznej
olej
Odbiorniki energii
cieplnej
Obiegi
z naturalnym
czynnikiem
niskowrzącym
Kocioł
wielopaliwowy
50°C
Slide 31
BIOGAZOWNIA FERMENTACYJNA 0.5 MW
NOWOŚĆ: BIOMETAN Z ROŚLIN ZIELNYCH I WODNYCH !!!
( Nie ma takiej instalacji w kraju )
Kiszonki
BIOMETAN - UNIWERSALNE ŹRÓDŁO ENERGII
Rośliny energetyczne zielne:
ślazowiec, kukurydza i wodne
Rozdrabniacz i
mikser
Biogaz
(Biometan)
Zbiorniki fermentacyjne
Pozostałości
z produkcji biopaliw i
przemysłu spożywczego
Produkt
pofermentacyjny
Uszlachetnianie
biogazu
Slide 32
Dlaczego biogaz (biometan)
z fermentacji ?
Biogaz otrzymywany w procesie beztlenowej fermentacji metanowej rokuje na przyszłość
jako substytut gazu naturalnego i uniwersalne źródło taniej energii wykorzystywanej
lokalnie;
Produkcja biometanu jest czysta dla środowiska,
Biometan charakteryzuje się wyższym wskaźnikiem EROEI niż oleje roślinne.
Innowacyjność
biogazowni
Nowe technologie produkcji roślin energetycznych oraz modele „taśm” produkcji i konserwacji roślin dla
ciągłej podaży biomasy energetycznej wraz z niezbędnym zabezpieczeniem logistycznym;
Nowatorskie zasady prowadzenia procesu fermentacyjnego ze względu na kompozycję mikrobiologiczną
flory fermentacyjnej w zależności od parametrów wsadu biomasy do fermentacji;
Optymalizacja procesów biochemicznych bioreaktora w zależności od rodzaju biomasy roślinnej,
Wykorzystaniem biogazu w ogniwie paliwowym,
Slide 33
Biogazownie – kierunki rozwoju na przykładzie własnych rozwiązań
Krzemieniewski M., Dębowski M., Zieliński M., Jędzrzejewska – Cicińska M.
Z B IO R N IK R E T E N C Y JN Y
3
P o je m n o ść c zy n n a V = 5 ,0 m
P rz e w o d y tło czn e
O d p ły w n a d m ia ru
ś c ie kó w
Pom py M EPRO ZET
BRZEG
Stacja pilotująca reaktora
beztlenowego w Zakładzie
Mleczarskim w Łaszczowie
Slide 34
ZINTEGROWANA BIORAFINERIA
(0.5 MW 1000 l. etanolu dziennie)
NOWOŚĆ: WYTWARZANIE BIOETANOLU Z LIGNOCELULOZY!!!
BIOPALIWA II GENERACJI
Procesy chemiczne
• hydroliza enzymatyczna
Bioetanol
(spirytus)
• fermentacja cukrów
Surowiec roślinny
• uprawy energetyczne
• pozostałości roślinne
• „otoczenie”
Produkty
• paliwa/produkty chemiczne
• ciepło/energia elektryczna
Procesy termochemiczne
• piroliza
(olej pirolityczny)
• gazyfikacja
(gaz synteowy)
Gaz syntezowy
(drzewny)
Slide 35
Innowacyjność biorafinerii
Biokonwersja lignocelulozy do cukrów prostych i fermentacja do
etanolu,
Wyhodowanie nowych odmian roślin energetycznych o wysokiej wydajności biomasy,
Utylizacja pozostałości poprodukcyjnych i ścieków w uprawach energetycznych,
Współspalanie biomasy lignocelulozowej,
Budowa funkcjonalnych modeli demonstracyjno-eksperymentalnych technologii konwersji roślin
lignocelulozowych z upraw energetycznych,
BIOETANOL
(SPIRYTUS)
C2H5OH
Slide 36
MIKROSIŁOWNIE mCHP-ORC W ZAKRESIE MOCY
OD KILKUNASTU DO KILKUDZIESIĘCIU KW
mCHP-ORC
Cechy tego segmentu rynku
- Olbrzymi, potencjalny rynek, masowy indywidualny odbiorca
- Opłacalność ekonomiczna: prąd elektryczny jako „byproduct” ok.. 10-15% mocy – to czysty zysk. Kocioł i tak musimy mieć, - Łatwa możliwość trójgeneracji, czyli produkcji również chłodu, a więc wykorzystanie cały rok
Slide 37
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Mikro-siłownia zastępuje kocioł w układzie centralnego ogrzewania
1.
Zapotrzebowanie rynku w UK ocenia sie na kilka millionow
2.
Energia pierwotna wykorzystywana jest w ok. 90%
3.
Jednostki do 50 kWel
Slide 38
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Rozwiązania stosowane
Slide 39
Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna
Rozwiązania stosowane
Slide 40
Mikroturbina Kogeneracyjna ORC
Nowy projekt IMP PAN
Turbina jednostopniowa
typu radialnego
N = 3 kW
n = 98000 rev/min
Widok izometryczny
1
2
d0
d2
d1
Model MES
Slide 41
Mikroturbina Kogeneracyjna ORC
Nowy projekt IMP PAN
Łożyska Foliowe specjalnego typu
smarowane czynnikiem roboczym
Widok izometryczny
Model MES
Slide 42
PROJEKT IMP PAN
Mikroturbina jednostopniowa
typu radialnego
Ne = 3 kW
n = 98000 rev/min
Slide 43
PROJEKT IMP PAN
Kocioł 25 KWc - Biomasa /pelety
Slide 44
TECHNOLOGIE STUDYJNE
Koncepcja systemu magazynowania energii
Układy PV (fotowoltaika)
Prąd
przemienny
Odbiorniki energii
elektrycznej
Klimatyzacja solarna
Sterowanie
elektrownia
wiatrowa
WIATR
Ogniwa paliwowe
Moc elektr. 8 KW
Moc cieplna 3 KW
Prąd
przemienny
Magazyn energii:
sprężone
powietrze
Prąd stały
8KW
ultra-niskospadowa
elektrownia
wodna
Prąd
przemienny
wodór
tlen
Produkcja H2
O2
Slide 45
Mikrosiłownia Wiatrowa
Tani wiatrak dla gospodarstw indywidualnych
Dlaczego turbiny wiatrowe ?
•
•
•
Najlepsze warunki dla rozwoju energetyki wiatrowej
Wielu potencjalnych użytkowników turbin wiatrowych
Przewidywana niska cena przy masowej produkcji
Innowacyjność
•
•
•
Nowe rozwiązania wirników poziomych i pionowych
Zaprojektowanie tanich, lekkich i łatwo rozbieralnych wież
Opracowanie systemów produkcji i wykorzystania energii
elektrycznej
Wykorzystanie nowoczesnych, lekkich materiałów na
wirniki i wieże
Wiatraki o osi poziomej
Wiatraki o osi pionowej
•
Jakie turbiny wiatrowe ?
•
Spodziewane główne zainteresowanie w mocach 3 kW sprzedaż w supermarketach
•
Nasza propozycja musi iść także w większe jednostki 10 –
15 kW dostępne na zamówienie
•
Należy rozważyć również wielkość przyciągającą uwagę ~ 500W zachęcającą do pierwszego zakupu
Slide 46
Siłownie wiatrowe małej mocy – Koncepcja magazynu energii
WIATR
Generator
Turbina 1:
wiatr do 4 m/s – ładowanie zbiornika powietrza
wiatr od 4 m/s – napęd generatora prądu
Sprężone powietrze
(magazyn energii)
Sprzęgło
Odbiorniki energii
elektrycznej
Turbina 2:
napęd generatora przy
wykorzystaniu sprężonego powietrza
Slide 47
Mikrosiłownie Wodne: Typoszereg turbin niskospadowych
dla proekologicznych małych elektrowni wodnych
Dlaczego powinniśmy zabiegać o rozwój małej energetyki wodnej w
makroregionie północnej Polski?
- W naszym makroregionie przeważają rzeki nizinne, o relatywnie niewielkich spadach,
poniżej 4 m słupa wody oraz dużym i stałym na przestrzeni roku natężeniu przepływu.
- Stopień energetycznego wykorzystania piętrzeń niskospadowych tych rzek jest znikomy.
Udział energetyczny obiektów piętrzących w
Polsce – około 50% stanowią obiekty
niskospadowe, wykorzystane w niewielkim
stopniu
10...20 m
KORZYŚCI
7...10 m
(15%)
4...7 m
(28%)
spad H = 2...4 m
(45%)
1.
Zwiększenie produkcji energii elektrycznej ze źródeł
odnawialnych
2.
Poprawa bezpieczeństwa energetycznego w regionie
3.
Zwiększenie ochrony środowiska, głównie poprzez
poprawę stosunków wodnych - podniesienie poziomu
wód gruntowych
4.
Rozwój infrastruktury turystycznej i rekreacyjnej
5.
Zmniejszenie bezrobocia w regionie
Slide 48
Idealne rozwiązanie - niskospadowe elektrownie wodne
z turbinami specjalnej konstrukcji.
parametry typoszeregu turbin niskospadowych :
• Spad :
H = (1.5 – 4 ) m sł. wody
• Przepływ:
Q = (0.3 – 12) m3/s
• Generowana moc:
Pe = (10 – 350) kW
• Przewidywana sprawność:
h = (75 – 85)%
• Wyróżnik szybkobieżności:
nSQ = (250-280)
Innowacyjność
•
nowy układ łopatkowy turbiny wodnej rurowej o wysokim wyróżniku szybkobieżności zaprojektowany z
wykorzystaniem nowoczesnych metod obliczeniowych i badawczych,
•
układ sterowania pracą turbiny z uwzględnieniem zmiany szybkości obrotowej jej wirnika,
•
nowoczesna metoda projektowania turbin wysokobieżnych zweryfikowaną na podstawie badań
doświadczalnych modelu,
•
metoda optymalizacji wykorzystania zasobów wodnych z uwzględnieniem aspektów środowiskowych i
nową metodę określania jednostkowej energii hydraulicznej turbiny wodnej na niskie spady.
Slide 49
Gminne Centra Energetyczne w Makroregionie Polski Północnej
- jakie szanse?
Zaplecze Badawcze – Finansowanie Projektów Badawczo-Rozwojowych:
Projekt „kluczowy” z listy indykatywnej
„Kompleksy agroenergetyczne…”
POIG
Projekt „klastrowy” BKEE
„Ekosiłownie Poligeneracyjne”
POIG
Zaangażowanie firm i koncernów:
Grupa Kapitałowa ENERGA SA (Nowe Podmioty:CBR, RNT)
Nowa strategia w zakresie odnawialnej energetyki rozproszonej
Zaangażowanie Gmin i Powiatów
Kisielice
Gniewino
Gmina Kępice
Kwidzyń
Zaangażowanie Pomorskiego Urzędu Marszałkowskiego
Slide 50
Klastery Innowacyjne
Regiony Wiedzy i Innowacji
Koordynacja klastrów poprzez
•POLSKIE PLATFORMY
TECHNOLOGICZNE lub
•WSPÓLNE INICJATYWY
TECHNOLOGICZNE
zin tegrow an e C en tra Z aaw an sow an ych Tech n ologii
k lastry tech n ologiczn e
Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym
Slide 51
PRZYKŁAD
GMINA MODELOWA
MODEL ENERGETYCZNY
Slide 52
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego w Gminie
Proces symulacji wytwarzania energii w układach kogeneracyjnych
•
Dokumentacje projektów technologicznych;
•
Dokumentacje projektów instalacji;
•
Dokumentacje eksploatacyjne;
•
Zbiory norm i uregulowań prawnych
Opracował : Januszewicz, SIMEX
Slide 53
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Model komleksu agroenergetycznego
Warstwa projekcyjna
Warstwa prezentacji
Warstwa kalkulacji
Warstwa aplikacji
Slide 54
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Model kompleksu agroenergetycznego
Warstwa prezentacji
Slide 55
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Technologia fermentacji etylowej wg. CPECh Wrocław
Slide 56
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Technologia biogazu wg. CPECh Wrocław
Slide 57
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Technologia estryfikacji etanowej wg. CPECh Wrocław
Slide 58
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Kogeneracja przy wykorzystaniu technologii ORC
Slide 59
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Bloki funkcjonalne
biogaz
osad
(ziemia ogrodowa)
gnojowica
odciek (ścieki)
Ekstruder
Silniki gazowe
słoma
Biogazownia
energia elektryczna
i cieplna
(kogeneracyjna)
wywar
mazut (opcjonalnie)
woda
fuzle
drożdże
zboże
Elektrociepłowni
a
rzepak
gliceryn
a
Tłocznia
makuchy
olej rzepakowy
Gorzelnia
KOH (katalizator)
etanol (99.8%)
lub
metanol
(99,7%)
(opcjonalnie)
pasza białkowa
Instalacja biodiesela
Odwadniacz
przepływ masy
przepływ energii
Ester (biodiesel)
Slide 60
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Przykład praktycznego zastosowania :
Produkcja biopaliw z upraw na powierzchni 1000 ha:
250 ha rzepak
250 ha trawy
250 ha pszenżyto
250 ha wierzba energetyczna
P
biowęgiel
Ilość paliwa
Energia paliwa
[ton]
KW
A L
etanol
I W O
biodisel
biogaz
525
350
219
3 734 000
3 649
1 946
1 826
25 951 300
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
60
Slide 61
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Przykład praktycznego zastosowania :
Produkcja bigazu z upraw na powierzchni 1000 ha:
250 ha lucerna
250 ha trawy
250 ha kukurydza
250 ha wierzba energetyczna
wynosi 6,5 mln. m3 przy bardzo niskim koszcie
produkcji wynoszącym 0,02zł w przeliczeniu na 1 kW
Dla porównania:
Koszt
1kW energii zawartej w gazie ziemnym 0,06 zł
Koszt
1kW energii zawartej w węglu kamiennym 0,03 zł
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
61
Slide 62
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego:
Łączna powierzchnia upraw 800 tys. ha, w tym:
454.000 ha zboża
340.000 ha rzepak
40.000 ha ziemniaki
15.000 ha buraki
Przeznaczając 25% upraw na cele energetyczne,
oraz odpady z hodowli zwierząt:
221.000
bydła
970,000 trzody
10.000.000 drobiu
można otrzymać biogaz o wartości energetycznej 8.880 GW,
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
62
Slide 63
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego:
Z upraw leśnych jest możliwe pozyskanie w celach
energetycznych:
225.000 ton drewna energetycznego;
180.000 ton drewna odpadowego
Łączna wartość energetyczna drewna wynosi w
przybliżeniu 1.250 GW,
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
63
Slide 64
Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego
Potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego wynosi więc:
8.880 GW z 25% produkcji rolnej
1.449 GW z odpadów hodowlanych
1.250 GW
z gospodarki leśnej
Łączny potencjał bioenergetyczny Województwa
Pomorskiego wynosi w przybliżeniu 11.579 GW,
odpowiada to XX% zapotrzebowania energetycznego
województwa .
Instytut Maszyn Przepływowych
PAN w Gdańsku
64
Slide 65
MODEL ENERGETYCZNY GMINY
wg R. Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008
www.egie.pl
Gmina modelowa: 12.500 mieszkańców, 39 km 2 powierzchni
(71% użytki rolne, 10 % użytki leśne)
Stan na dzisiaj:
Energia elektryczna: zapotrzebowanie pokrywane w całości przez energetykę zawodową
Struktura zużycia: ciepło
Struktura zużycia: paliwa transportowe
Założenie:
1.
2.
500 ha - areał na strefę energetyczną – uprawy kukurydzy
Centrum energetyczno-paliwowe powstanie wokół istniejącej gorzelni, do której dołączona zostanie
biogazownia z układem kogeneracyjnym o mocy 750 kWe i biorafineria (układ odwadniania spirytusu)
o wydajności 5 mln litrów rocznie oraz przetwórnia biopaliwa stałego o wyd. 6320 m3 biomasy
Slide 66
MODEL ENERGETYCZNY GMINY c.d.
Schemat ideowy działania Centrum
Źródło: Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008
Slide 67
MODEL ENERGETYCZNY GMINY c.d.
Uproszczona analiza ekonomiczna
Według przeprowadzonej analizy Centrum pokryje:
42% zapotrzebowania na energię elektryczną
39% zapotrzebowania na energię cieplną
25% zapotrzebowania na paliwa transportowe
W obu wariantach Centrum okazało się inwestycją opłacalną.
Stopa zwrotu IRR w wariancie II jest oczywiście wyzsza.
Źródło: Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008
Slide 68
TAKĄ ZIEMIĘ ZACHOWAJMY DLA PRZYSZŁYCH POKOLEŃ
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ