Od ponad 20 lat w polityce UE istotną role odgrywają kwestie energetyczne i ich wpływ na środowisko naturalne. Wywierany jest silny nacisk na odejście od węgla jako paliwa, którego spalanie powoduje istotne szkody w środowisku. Promowane są efektywne technologie bazujące na źródłach odnawialnych i paliwach gazowych. Proponuje się również odejście od dużych jednostek wytwórczych w kierunku tzw. energetyki rozproszonej, co m.in. ma ograniczyć straty związane z przesyłem energii. Jednym z preferowanych kierunków jest wykorzystanie tzw. kogeneracji.
Agregaty kogeneracyjne/kogeneracja
Kogeneracja to proces skojarzonego w ramach jednej instalacji wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z wykorzystaniem energii pierwotnej zawartej, np. w gazie ziemnym, biogazie czy też innych dostępnych paliwach. Klasycznie instalacja kogeneracji budowana jest w oparciu o silnik wewnętrznego spalania albo turbinę gazową lub parową. Artykuł skupi się na pierwszej możliwości oferowanej przez agregaty kogeneracyjne, czyli wykorzystaniu procesu spalania w silniku do zamiany energii chemicznej paliwa w energię mechaniczną obracającego się wału napędzającego prądnicę, gdzie ciepło pozyskiwane jest z układu chłodzenia silnika i spalin, a często również z oleju oraz mieszanki sprężanej w turbosprężarce.
Agregaty kogeneracyjne – sprawność
Agregaty kogeneracyjne wzbudzają duże zainteresowanie głównie ze względu na wysoką wydajność produkcji energii elektrycznej i ciepła. Ich sprawność całkowita, w zależności od zastosowanego silnika i technologii wykorzystania ciepła odpadowego, zawiera się zwykle w przedziale 82–93%, a w mniejszych układach przy wykorzystaniu ciepła kondensacji wody zawartej w spalinach sprawność całkowita może przekroczyć 100%. Dla porównania, w gospodarce tzw. rozdzielonej sprawność wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni węglowej wynosi ok. 40–45%, a reszta energii jest tracona do otoczenia przede wszystkim w układzie chłodzenia skraplaczy.
Agregaty kogeneracyjne – sprawność elektryczna
Agregaty kogeneracyjne charakteryzują się sprawnością elektryczną w zakresie 30–45%. Zwykle im większej mocy urządzenie tym wyższa jest jego sprawność elektryczna, chociaż zależy to od wielu czynników, np. sprawności mechanicznej silnika, sposobu sterowania silnikiem, obecności i parametrów układu doładowania czy sprawności prądnicy.
Agregaty kogeneracyjne – sprawność cieplna
Sprawność cieplna agregatów kogeneracyjnych może zmieniać się nawet w szerszym zakresie, w zależności od stopnia rozbudowania układu odzysku ciepła. Klasycznym obecnie układem jest odzysk ciepła z chłodzenia bloku silnika, oleju oraz mieszanki za turbosprężarką. Krążący w układzie chłodzenia roztwór glikolu przepływa również przez wymiennik spalinowy chłodzący spaliny do wymaganej temperatury (zwykle 120–180°C). Ciepło wyprowadzane jest z agregatu za pośrednictwem wymiennika płytowego, a roztwór glikolu/woda kotłowa – w postaci gorącej wody o parametrach 65/85°C.
Paliwo
W nowoczesnych układach kogeneracyjnych z uwagi na niską emisyjność wykorzystuje się praktycznie wyłącznie silniki zasilane paliwem gazowym. W roli paliwa stosowane są najczęściej biogaz (rolniczy, składowiskowy lub z oczyszczalni ścieków), gazy techniczne (np. propan), gazy odpadowe powstające przy produkcji, np. ropy naftowej i odmetanowaniu kopalni czy wspomniany wcześniej sieciowy gaz ziemny, CNG lub LNG. Zgodnie z obecnie panującymi trendami związanymi z obniżaniem emisji szkodliwych substancji do atmosfery rozwijana jest również technologia zasilania silników gazowych wodorem, obecnie głównie jako dodatkiem do paliwa podstawowego.
W specyficznych warunkach stosuje się także agregaty kogeneracyjne z silnikami Diesla, rozbudowane o układy odzysku ciepła, jednak z uwagi na koszt samego paliwa, problematykę związaną z emisyjnością oraz warunkami wymiany energii cieplnej, takie rozwiązanie nie są popularne.
Agregaty kogeneracyjne a wytwarzanie chłodu
Kogeneracja nie oznacza wyłącznie produkcji energii elektrycznej i cieplnej. W bardziej skomplikowanych układach generowana może być również para wodna (np. kotły odzysknicowe lub wielociągowe) czy chłód – najczęściej w postaci wody lodowej (tzw. układy trigeneracyjne). W przypadku wykorzystania energii wyprodukowanej przez agregat kogeneracyjny do wytwarzania chłodu niezbędne jest zastosowanie dodatkowego agregatu absorpcyjnego oraz wieży chłodniczej (otwartej lub zamkniętej). Każdy układ kogeneracyjny niezależnie od tego czy poza energią elektryczną wytwarza ciepło w postaci wody obiegowej, pary wodnej, gorącego powietrza czy też chłodu można rozbudowywać o układy uzdatniania i przygotowania wody kotłowej czy też zestawiać ze sterownikami obiektowymi zarządzającymi wieloma źródłami ciepła i chłodu jednocześnie.
Agregaty kogeneracyjne z zabudową lub bez
Agregaty kogeneracyjne oferują wiele możliwości zabudowy samego urządzenia oraz wszelkich elementów towarzyszących, takich jak pompy czy wymienniki. Najprostszą formą są agregaty kogeneracyjne bez obudowy, posadowione na ramie i przeznaczone do zabudowy w specjalnie do tego wydzielonych pomieszczeniach. W takim przypadku osprzęt (pompy, orurowanie, zawory, wymienniki) znajdują się na ramie pomocniczej zintegrowanej z agregatem lub mogą być montowane w dowolnym miejscu pomieszczenia.
Bardziej skomplikowane i jednocześnie najbardziej popularne są agregaty kogeneracyjne w obudowie wyciszonej. W tym przypadku rama urządzenia stanowi jednocześnie podstawę obudowy, która w całości zakrywa sam agregat. Konstrukcja obudowy zabezpieczana jest antykorozyjnie i wyciszana za pomocą różnych materiałów w zależności od klasy hałasu jaką musi spełnić urządzenie. Osprzęt montuje się wewnątrz obudowy.
Agregaty kogeneracyjne w obudowie wyciszonej montowane są najczęściej w pomieszczeniach bez specjalnego wyciszenia. Jeżeli warunki inwestycji wymuszają zabudowę agregatu kogeneracyjnego poza budynkiem najczęściej stosuje się urządzenia w kontenerach morskich, które stanowią formę obudowy. Zapewnia to jednocześnie zabezpieczenie przez warunkami pogodowymi, wyciszenie zgodnie z przyjętymi normami hałasu oraz możliwość wygodnego dostępu do urządzeń dla obsługi i serwisu.
Zastosowanie agregatów kogeneracyjnych
Dostępne rynku agregaty kogeneracyjne, ze względu na różnorodność silników i ciągle rozwijanych układów sterowania oferują możliwość dostosowania ich do praktycznie każdej branży. Typowe obszary zastosowań to m.in.:
- zakłady przemysłowe różnych branż,
- elektrociepłownie zawodowe,
- przetwórstwo spożywcze i rolne,
- aquaparki i baseny (w tym termalne),
- biogazownie i oczyszczalnie ścieków,
- składowiska odpadów,
- hotele i branża mieszkaniowa,
- szpitale,
- obiekty biurowe i handlowe,
- obiekty sportowe oraz edukacyjne.
Agregaty kogeneracyjne – zalety rozwiązań
Poza najbardziej oczywistymi zaletami, jakie zapewniają agregaty kogeneracyjne, nie można zapominać o tym, że w miejscach gdzie dostęp do przyłącza energii elektrycznej odpowiedniej mocy jest utrudniony lub niemożliwy – jest to niejednokrotnie jedyne i najlepsze rozwiązanie. Agregaty kogeneracyjne mogą stanowić źródło zasilania dla obiektu pozbawionego dostępu do publicznej sieci energetycznej lub też współpracować z nią w różnych dostępnych trybach. Jedną z najczęściej wybieranych opcji jest współpraca agregatu równolegle z siecią OSD w systemie nadążnym, tzn. dobierając moc elektryczną generowaną przez zespół do aktualnego zapotrzebowania obiektu, zmniejszając tym samym do minimum przesyłanie nadwyżek energii do sieci publicznej. W takim przypadku kluczowym jest odpowiedni dobór mocy agregatu do zapotrzebowania na moc zasilanego obiektu. Przewymiarowanie może nie być opłacalne.
Koszty inwestycji
Inwestycja w agregaty kogeneracyjne wiąże się ze stosunkowo wysokimi kosztami zakupu jednostek prądotwórczych oraz dostosowania pozostałych instalacji i obiektów do zabudowy danego układu. Jednak przy założeniu właściwego doboru urządzeń do realnych potrzeb prosty czas zwrotu jest o wiele krótszy niż w przypadku wielu alternatywnych źródeł energii i może wynosić nawet poniżej 2 lat, w zależności od mocy, technologii zastosowanego układu oraz urządzeń współpracujących czy ewentualnego pokrycia części kosztów poprzez różnego rodzaju programy rządowe, unijne i dofinansowania celowe.
Bardzo istotnym czynnikiem są również ceny energii elektrycznej i wykorzystywanego paliwa. W celu maksymalizacji efektu ekonomicznego należy zadbać o wykorzystanie generowanego w układzie ciepła. Jeśli nie ma możliwości jego pełnego zużycia jest ono zrzucane do otoczenia za pomocą tzw. chłodnic awaryjnych.
Innym bardzo ważnym aspektem, jaki należy brać pod uwagę przy inwestycji w agregaty kogeneracyjne jest obsługa serwisowa, a dokładniej przyjęta liczba godzin pracy i dostępności danego układu w skali roku. Należy dobrać urządzenia tak, aby możliwe było maksymalne dostosowanie długości okresów pomiędzy przeglądami do charakteru danej aplikacji, np. do pracy ciepłowni, gdzie przestoje są mniej problematyczne w okresach letnich. Równie ważnym aspektem jest dostępność serwisu i jego czas reakcji na ewentualne awarie.
Agregaty kogeneracyjne w podsumowaniu
Obecnie największym wyzwaniem poza budową samego agregatu kogeneracyjnego jest jego właściwy i optymalny dobór oraz dostosowanie do często bardzo specyficznych wymagań danego projektu. Pozornie prosty układ do zasilania, np. zakładu produkcyjnego może w praktyce oznaczać konieczność uzyskania wielu pozwoleń formalno-prawnych, ustaleń wielobranżowych, jak i dostosowania go do bardzo rygorystycznych norm generowanego w czasie pracy hałasu czy składu gazów spalinowych. Model inwestycji najczęściej wykorzystywany w przypadku budowy nowych układów czy modernizacji istniejących obiektów to obecnie tzw. system zaprojektuj i wybuduj.
Publikacja artykułu: sierpień 2023 r.
