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