JACEK KALINA
Zakład Termodynamiki i Energetyki Gazowej
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach

Oszczędność energii chemicznej paliw wynikająca ze stosowania

gazowych układów kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych

1. WPROWADZENIE

Ostatnie lata w polskiej energetyce to okres znaczących

przekształceń, które obejmują zarówno nowelizację aktów
prawnych regulujących pracę systemu, jak również
rozważania nad nowymi technologiami wytwarzania
użytecznych nośników energii. W odniesieniu do urządzeń
wytwórczych coraz większą wagę przykłada się do takich
wskaźników jak zapotrzebowanie energii napędowej,
sprawność, efektywność ekonomiczna oraz uciążliwość
ekologiczna. Rosnącym zainteresowaniem cieszą się
rozproszone źródła energii o stosunkowo niedużej mocy
elektrycznej,

realizujące

skojarzoną

gospodarkę

energetyczną polegającą na równoczesnym wytwarzaniu
ciepła i energii elektrycznej. Przy zastosowaniu
nowoczesnych układów kogeneracyjnych zintegrowanych z
urządzeniem ziębniczym możliwe jest również jednoczesne
wytwarzanie w jednym układzie ciepła, zimna i energii
elektrycznej. Należy jednak podkreślić, że warunkiem
koniecznym do zastosowania układu kogeneracyjnego lub
trójgeneracyjnego jest występowanie po stronie odbiorców
zapotrzebowania na poszczególne nośniki energii.
Zapotrzebowanie to powinno charakteryzować się
odpowiednio wysokim poziomem mocy oraz odpowiednio
długim czasem występowania.

W poszczególnych przypadkach zapotrzebowanie na

nośniki energii u odbiorców nie jest warunkiem
wystarczającym dla podjęcia decyzji o budowie układu
skojarzonego. Przyrost liczby zrealizowanych inwestycji
uzależniony jest od szeregu innych czynników, z których
wg raportu Komisji Europejskiej [2] jako najważniejsze
podaje się:

a) dostępność paliwa (zwykle gazu ziemnego lub innego

paliwa gazowego),

b) sprzyjające regulacje prawne dotyczące kogeneracji,
c) regulacje w zakresie ochrony środowiska,
d) rozwój systemu podaży nośników energii,
e) poziom cen nośników energii,
f) konkurencyjność na rynku,
g) dostępność nowoczesnych technologii,
h) dostępność środków finansowych.

Wszystkie wymienione czynniki wpływają na ostateczną
wartość

wskaźników

efektywności

ekonomicznej

inwestycji, które w przypadku małych układów
skojarzonych są kluczowym czynnikiem decyzyjnym.

Opłacalność projektu analizowana jest zwykle lokalnie,

przy uwzględnieniu przepływów finansowych związanych
bezpośrednio z inwestycją, zarówno w czasie jej realizacji
jak

i

eksploatacji.

Wprowadzanie

do

systemu

energetycznego rozproszonych źródeł energii realizujących
gospodarkę skojarzoną przynosi efekty, które mogą
wpływać na promocję tej technologii. Do głównych
efektów o takim właśnie znaczeniu należą: globalna
oszczędność energii chemicznej paliw oraz globalne
zmniejszenie emisji substancji szkodliwych.

W artykule przedstawiono sposób obliczeń oszczędności

energii chemicznej paliw oraz zmniejszenia emisji
substancji szkodliwych. Przeanalizowano także wartości
przyjmowane przez te wskaźniki dla typowych technologii
skojarzonego wytwarzania ciepła, zimna i energii
elektrycznej.

2. OSZCZĘDNOŚĆ ENERGII CHEMICZNEJ PALIW

ORAZ ZMNIEJSZENIE EMISJI SUBSTANCJI

SZKODLIWYCH

Ilość energii chemicznej paliw pierwotnych jaka może

zostać zaoszczędzona w skali globalnej w wyniku realizacji
danego procesu jest jednym z najbardziej istotnych
wskaźników porównawczych w analizie skojarzonego
wytwarzania użytecznych nośników energii [3][4][11].
Oszczędność ta wyrażana jest wzorem:

( ) ( )

0

>

−

=

∆

−

S

ch

R

ch

ch

E

E

E

&

&

&

(1)

gdzie:

( ) ( )

S

ch

R

ch

E

E

&

&

,

- zużycie energii chemicznej w

systemie w przypadku rozdzielonego oraz skojarzonego
wytwarzania użytecznych nośników energii.

Uzyskaną wartość można odnieść do zużycia energii

napędowej przed realizacją danego procesu (w gospodarce
rozdzielonej) uzyskując w ten sposób względny wskaźnik
oszczędności:

( )

R

ch

ch

E

E

FESR

&

&

∆

−

=

(2)

gdzie: FESR oznaczenie zaczerpnięte z języka
angielskiego: Fuel Energy Saving Ratio [3].

W podobny sposób oszacować można globalne

zmniejszenie emisji substancji szkodliwych do atmosfery.
Wygodnie jest w tym celu odnieść wskaźniki emisji
poszczególnych substancji szkodliwych do ilości energii
chemicznej paliwa spalanego w procesie. Globalne
zmniejszenie emisji poszczególnych substancji wrazić
można w tym wypadku zależnością:

( ) ( ) ( ) ( )

S

ch

S

i

R

ch

R

i

i

E

E

&

&

&

χ

χ

ξ

−

=

(3)

gdzie

ξ

i

– zmniejszenie emisji substancji szkodliwej i

[kg/s], (

χ

i

)

R

(

χ

i

)

CHP

– wskaźnik jednostkowej emisji i-tej

substancji szkodliwej w procesach rozdzielonych i procesie
skojarzonym odniesiony do energii chemicznej spalanych
paliw [kg/GJ].

Efekty środowiskowe mogą mieć znaczący wpływ na

zwiększenie liczby instalacji układów skojarzonych w
przypadku, gdy zostaną zastosowane odpowiednie
mechanizmy wyceny wartości ekonomicznej szkód
wywołanych w środowisku. Odpowiednia wysokość opłat
środowiskowych może mieć duże znaczenie dla
efektywności ekonomicznej inwestycji przez wpływ
zarówno na opłaty środowiskowe związane bezpośrednio z
analizowanym obiektem jak i przez wpływ na ceny energii
ze źródeł alternatywnych (w gospodarce rozdzielonej).

Układy skojarzone mają szczególnie istotne znaczenie

dla zmniejszenia emisji CO

2

, gazu uważanego za jedną z

przyczyn efektu cieplarnianego. Wielkość emisji wynika w
tym przypadku wyłącznie ze stechiometrii spalania.
Przykładowo przy spalaniu gazu ziemnego o składzie: N

2

-

0.818 %, CO

2

- 0.183 %, CH

4

- 97.769 %, C

2

H

6

- 0.793 %,

C

3

H

8

- 0.269 %, C

4

H

10

- 0.113 %, C

6

H

12

- 0.025 %, CH

6

H

14

- 0.02 %, O

2

- 0.01 % i wartości opałowej: 35.9 MJ/m

n

3

(GZ50), wskaźnik emisji CO

2

wynosi 56 kg/GJ energii

spalonego paliwa (przy spalaniu całkowitym i zupełnym).
Przy sprawności silnika czy turbiny rzędu 35 % daje to
wskaźnik 576 kg/MWh wytworzonej energii elektrycznej.
Dla porównania średni wskaźnik dla elektrowni węglowych
wynosi ok. 990 kg/MWh [1]. Co do pozostałych substancji
szkodliwych, wskaźniki emisji są silnie uzależnione od
konstrukcji urządzenia i zastosowanej technologii redukcji
emisji.

Właściwie jedynym sposobem zmniejszania globalnej

emisji CO

2

w cieplnych układach energetycznych jest

redukcja zużycia paliw. Zmniejszone zużycie paliw można
uzyskać przez zwiększenie sprawności energetycznej
urządzeń oraz wskaźnika wykorzystania energii chemicznej
paliwa w układzie.

3. SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPŁA I ENERGII

ELEKTRYCZNEJ

Obecnie skojarzone wytwarzanie ciepła i energii

elektrycznej w układach gazowych małej mocy
realizowane jest głównie w oparciu o tłokowe silniki
spalinowe i turbiny gazowe. Typowe schematy układów
pokazano na rys. 1 i 2.

Rys. 1. Prosty układ skojarzony z turbiną gazową (G –
generator, KS – komora spalania, T – turbina, S –

sprężarka, KO – kocioł odzyskowy, P – pompa, OC –
odbiornik ciepła, F – filtr)

Rys. 2. Układ skojarzony z tłokowym silnikiem
spalinowym (G – generator, P – pompa, TS –
turbosprężarka, OC – odbiornik ciepła, WC1 – wymiennik
ciepła chłodzenia powietrza doładowania, WC2 –
wymiennik ciepła chłodzenia płaszcza wodnego i miski
olejowej)

W układach skojarzonych przedstawionych na rysunkach

1 i 2 silnik lub turbina napędza generator. Ciepło,
nazywane często ciepłem odpadowym (ang. waste heat)
częściowo wykorzystywane jest w wymiennikach ciepła.
W przypadku turbiny jest to jeden wymiennik spaliny-
woda (zwany również kotłem odzyskowym), do którego
kierowane są gorące spaliny opuszczające turbinę. Bardziej
skomplikowana sytuacja ma miejsce, gdy układ zbudowany
jest w oparciu o tłokowy silnik spalinowy. System
wymienników jest tu rozbudowany z uwagi na fakt, że w
silniku występuje kilka źródeł ciepła o zróżnicowanej
temperaturze. Są to:

-

ciepło chłodzenia płaszcza wodnego,

-

ciepło chłodzenia miski olejowej,

-

ciepło chłodzenia mieszanki doładowanej,

-

entalpia spalin.

Zmienność zapotrzebowania na ciepło grzejne powoduje,

że schematy technologiczne małych elektrociepłowni z
reguły są bardziej złożone. W większości przypadków
silnik bądź turbina współpracuje z kotłami rezerwowo-
szczytowymi i/lub zasobnikami ciepła. Kotły rezerwowo-
szczytowe mogą być zasilane paliwem innym niż układ
gazowy, co prowadzi do powstania elektrociepłowni
wielopaliwowej. Ponadto w przypadku silnika (zwłaszcza
większej mocy) z reguły w układzie instalowana jest
wentylatorowa

chłodnica

awaryjna,

zapewniająca

możliwość pracy urządzenia w przypadku całkowitego
zaniku odbioru ciepła. Konfiguracja układu oraz chwilowa
zmienność obciążeń wpływa na roczną wartość wielkości
wyrażonych wzorami (1), (2) oraz (3). Dalsza analiza
przeprowadzona będzie jednak dla typowych układów
prostych.

W praktyce inżynierskiej, w odniesieniu do skojarzonego

wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, z reguły
wykorzystywane są następujące wskaźniki technicznej
efektywności procesu [8]:

a) sprawność wytwarzania energii elektrycznej w układzie
skojarzonym, odniesiona do całkowitego zużycia energii
chemicznej paliwa:

d

S

ES

W

P

N

&

=

η

(4)

1

σ

b) wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa
(sprawność całkowita):

d

S

S

W

P

Q

N

EUF

&

&

+

=

(5)

0,1

0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

1,8

,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

η

ES

EUF = 0.7
EUF = 0.8
EUF = 0.9

Rys. 3. Zmiany wskaźnika skojarzenia w małych układach
skojarzonych w funkcji sprawności wytwarzania energii
elektrycznej

gdzie: EUF – oznaczenie zaczerpnięte z języka
angielskiego: Energy Utilisation Factor [3], N

S

– moc

elektryczna,

Q

- moc cieplna.

S

&

Ponadto

jednym

z

ważniejszych

wskaźników

wykorzystywanych w opisie procesu skojarzonego jest tzw.
wskaźnik skojarzenia.

S

S

Q

N

&

=

σ

(6)

Oszczędność energii chemicznej paliw loco układy

wytwórcze,

gdy

układ

skojarzony

u

odbiorcy

indywidualnego zastępuje jednocelowe układy graniczne w
postaci elektrowni systemowej i centralnej kotłowni
komunalnej, można obliczyć z zależności (1) zapisanej w
postaci:





















































′

+

′

−

























+

























=

∆

−

)

(EUF

N

Q

Q

N

W

P

tp

S

p

S

Ek

p

S

Eel

tp

S

d

η

η

η

η

η

η

&

&

&

(8)

Wartości wskaźników określonych wzorami (4), (5) oraz

(6) analizować można zarówno jako wartości chwilowe jak
i średnie dla założonych okresów działania układu, np.
średnie roczne. Ich maksymalne wartości są przeważnie
niższe niż dla nowoczesnych procesów rozdzielonych. W
przypadku układów z silnikami tłokowymi wartość

η

ES

przyjmuje wartości 0.35 – 0.42; dla turbin gazowych
natomiast mieści się w zakresie 0.14 – 0.40. Wskaźnik
wykorzystania energii chemicznej paliwa EUF w obu
przypadkach wynosi 0.75 – 0.90 [5][7].

gdzie:

η

Eel

– sprawność elektrowni granicznej,

η

Ek

−

sprawność energetyczna kotła,

η

tp,

η´

tp

- sprawność

transformacji i przesyłu energii elektrycznej z elektrowni
kondensacyjnej i układu skojarzonego,

η

p,

η´

p

- sprawność

przesyłu ciepła z ciepłowni i układu skojarzonego.

Wzajemną zależność sprawności wytwarzania energii

elektrycznej

η

ES

, wskaźnika skojarzenia

σ oraz wskaźnika

wykorzystania energii chemicznej paliwa EUF można
przedstawić następująco:











 +

=

σ

η

1

1

ES

EUF

(7)

W celu wyznaczenia oszczędności energii chemicznej

paliw pierwotnych w skali kraju, we wzorze (8) należy
uwzględnić mnożnik 1/

η

*

d

[11]. Symbol

η

*

d

oznacza

skumulowaną sprawność pozyskania i dostawy paliwa do
układu. Skumulowana oszczędność energii chemicznej
paliw określa całkowitą wielkość oszczędności możliwych
do osiągnięcia w systemie bezpośrednio w analizowanych
procesach oraz w procesach je poprzedzających.
Uwzględniając, że skumulowana sprawność dostawy węgla
kamiennego wynosi szacunkowo 0.94 a gazu ziemnego
wysokometanowego 0.98 [11] stwierdzić należy, że efekty
systemowe będą ok. 2 ÷ 6 % większe niż efekty procesowe.

W rzeczywistych układach parametry te mogą przyjmować
tylko określone wartości w zależności od rodzaju
zastosowanych urządzeń. Przy czym wartość EUF,
określona wzorem (7), nie może być wyższa od 1.
Uwzględniając zakres zmienności sprawności

η

ES

: 0.14 –

0.42 (turbiny i silniki) [6] oraz fakt, że przez dobór
odpowiedniej powierzchni wymiany ciepła wymiennika
spaliny-czynnik grzewczy (para lub woda) w przedziale

η

ES

÷ 1 można kształtować różne wartości EUF, na rys. 3
przedstawiono zakres zmienności wskaźnika skojarzenia
(6).

Obowiązuje

on

dla

gazowych

układów

kogeneracyjnych z silnikami spalinowymi i turbinami
gazowymi.

Wpływ wartości poszczególnych składników wzoru (8)

na procesową oszczędność energii chemicznej paliw
pierwotnych przeanalizowano na rys. 4. Podkreślić należy,
że wybór różnych sprawności elektrowni granicznej jest w
zgodzie z zasadą dostępu stron trzecich do sieci (TPA) w
myśl, której odbiorcy przysługuje prawo wyboru dostawcy
energii. Z drugiej strony wpływ na oszczędność energii
chemicznej

ma

również

odmienność

i

stopień

nowoczesności porównywanych technologii.. Z tego
powodu dla analizy efektów uzyskiwanych przez gazowe
układy skojarzone jako elektrownię graniczną w zasadzie
należy przyjmować również nowoczesny układ gazowy
(np. siłownię gazowo-parową).

Dla przyjętego zakresu zmienności poszczególnych

parametrów układu skojarzonego i układów granicznych
obliczono również względną oszczędność energii
chemicznej paliw. Wyniki zilustrowano na rys. 5.

Dla uproszczenia obliczeń założono, że

η

tp,

η´

tp,

η

p,

η´

p

są równe jedności (co odpowiada porównywaniu układów
loco źródło energii). Wartość (

) odniesioną do

energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu można w
tym przypadku po wykorzystaniu (6), (7) oraz (8) obliczyć
z zależności:

d

W

P

&

∆

−













−

+

=

∆

−

ES

Ek

Eel

S

d

N

W

P

η

ση

η

1

1

1

&

(9)

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.14 0.16

0.18

0.2

0.22 0.24

0.26 0.28

0.3

0.32 0.34

0.36 0.38

0.4

0.42

η

S

FESR

1 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

3 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł=0.90; EUF=0.70)

4 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

5 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.70)

6 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2

5

4

1

3

6

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.14 0.16 0.18

0.2

0.22 0.24 0.26 0.28 0.3

0.32 0.34 0.36 0.38 0.4

0.42

η

S

O

sz

ce

dność

e

ne

rgi

i c

he

m

ic

zn

ej

pa

li

w

,

kW

n

a k

W

en

erg

ii elek

try

czn

ej wy

two

rzo

n

w sk

oj

arzen

iu

1 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

3 (spr.el.gr.=0.35; spr.kotł.=0.90; EUF=0.70)

4 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.70; EUF=0.90)

5 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.70)

6 (spr.el.gr.=0.55; spr.kotł.=0.90; EUF=0.90)

2

5

4

1

3

6

Rys. 5. Względna oszczędność energii chemicznej paliw
przypadająca

na

jednostkę

energii

elektrycznej

wytworzonej w skojarzeniu

Jak wynika z rysunku 5 w wyniku stosowania typowych

gazowych układów kogeneracyjnych możliwa oszczędność
energii chemicznej paliw loco układy wytwórcze może
osiągać wartości przewyższające 45 %. Uwzględniając
efekt skumulowany, można stwierdzić, że oszczędność ta
będzie jeszcze większa. Z drugiej strony najmniejszą
oszczędność energii chemicznej paliw uzyskano przy
wysokiej

sprawności

elektrowni

zastąpionej

(np.

nowoczesny układ kombinowany gazowo-parowy). W
analogiczny sposób oszacować można zmniejszenie emisji
substancji szkodliwych, zwłaszcza CO

2

.

Rys. 4. Oszczędność energii chemicznej paliw
przypadająca na jednostkę energii elektrycznej
wytworzonej w skojarzeniu

Na rysunku 4 można zaobserwować trzy rodzaje

przebiegu krzywych opisanych równaniem (9) w funkcji
sprawności

η

S

, dla różnych wartości EUF oraz

η

Eel

,

η

Ek

:

a) EUF =

η

Ek

- oszczędność energii chemicznej paliw

przyjmuje wartość stałą wyrażoną wzorem (9),
niezależną od sprawności wytwarzania energii
elektrycznej w silniku czy turbinie gazowej (krzywe 1
i 6 na rys. 4),

Przykładowe

wartości

efektów

procesowych

i

systemowych uzyskanych dla rzeczywistych urządzeń
przedstawiono w tablicy 1. Wyniki obliczeń pokazują, że
stosowanie

nowoczesnych

układów

gazowych,

realizujących skojarzony proces wytwarzania ciepła i
energii elektrycznej, w stosunku do klasycznego sposobu
wytwarzania tych nośników daje duże możliwości redukcji
zużycia paliw i emisji CO

2

(a także innych substancji).

Efekty te jednak nie są możliwe do uchwycenia na osłonie
bilansowej układu lecz w systemie (lub wybranym jego
fragmencie). Wielkość systemu przyjętego do analizy jak
również sprawności urządzeń granicznych mają kluczowe
znaczenie dla wyników obliczeń. Podkreślić należy, że w
lokalnych systemach energetycznych wprowadzanie
układów gazowych może doprowadzić do wzrostu zużycia
paliw kopalnych oraz do zwiększenia emisji [1]. Sytuacja
taka ma miejsce gdy w lokalnym systemie energetycznym
dominuje wykorzystanie odnawialnych źródeł energii lub
energetyka jądrowa.

b) EUF <

η

Ek

- krzywa oszczędności energii chemicznej

paliw ma przebieg rosnący (krzywe 3 i 5 na rys. 4).
Dodatnia wartość oszczędności energii chemicznej
paliw w stosunku do gospodarki rozdzielonej zostaje
osiągnięta po spełnieniu warunku:

Eel

Ek

Ek

Eel

ES

EUF

η

η

η

η

η

−

−

>

(10)

Wymagana dla uzyskania dodatniej wartości
(

) sprawność energetyczna zespołu silnika

(lub turbiny) i generatora jest tym mniejsza im
mniejsza jest sprawność elektrowni granicznej oraz
im wyższy jest stopień wykorzystania energii
chemicznej paliwa w układzie CHP (bliższy
sprawności energetycznej kotła).

d

W

P

&

∆

−

c) EUF >

η

Ek

- krzywa oszczędności energii chemicznej

paliw ma przebieg malejący (krzywe 2 i 4 na rys. 4).

Tablica 1

PARAMETRY PRZYKŁADOWYCH UKŁADÓW CHP**

Typ układu:

Silnik tłokowy:

JMS 320 GS-L.E.

Turbina gazowa:

Saturn 20

(1)

Moc elektryczna N

S

, kW

1006

1146

Moc cieplna

, kW

S

Q

&

1318

2747

Energia napędowa,

, kW

d

W

P

&

2593

4898

Wskaźnik skojarzenia

σ

0.763

0.417

Sprawność wytwarzania energii elektrycznej

η

S



0.388

0.234

EUF

0.896

0.795

Temperatura spalin do komina,

O

C

120

120

Nośnik ciepła

Gorąca woda (90/70

O

C)

Gorąca woda (90/70

O

C)

Ciepło z kotła gazowego i energia elektryczna dostarczana z sieci energetycznej są zastępowane przez

nośniki wytwarzane w skojarzeniu

Sprawność kotła gazowego

η

Ek

0.95

Ilość energii chemicznej paliwa

tworzenia

ciepła w ilości

, kW

S

Q

&

1387

2892

Sprawność elektrowni granicznej

η

Eel

0.36

Sprawność transformacji i przesyłu energii
elektrycznej

η

tp

0.92

Energia chemiczna paliwa zużyta w

energii elektrycznej w ilości N

S

, kW

3037

3460

Suma energii zużywanej w kotle i elektrowni

, kW

(

R

d

W

P

&

)

4424

6352

Oszczędność energii chemicznej paliwa

loco źródła, kW

d

W

P

&

∆

−

1831

1454

Względna oszczędność procesowa FESR

0.414

0.229

Skumulowana oszczędność

*

)

(

d

W

P

&

∆

−

(2)

,

kW

2000

1634

Względna oszczędność skumulowana FESR

*

(2)

0.431

0.246

Szacowane skumulowane zmniejszenie
emisji CO

2

(3)

, kg/s

0.235

0.231

Szacowane skumulowane względne
zmniejszenie emisji CO

2

(3)

, %

61.3

45.2

doprowadzonej do kotła w celu wy

elektrowni granicznej w celu wytworzenia

(1)

w warunkach ISO przy uwzględnieniu strat ciśnienia na wlocie i wylocie z turbiny

(2)

przyjęto sprawności dostawy paliwa: węgiel -

; gaz -

94

.

0

*

=

dw

η

98

.

0

*

=

dg

η

(3)

przyjęto wskaźniki emisji: węgiel – 94 kg CO

2

/GJ; gaz - 56 kg CO

2

/GJ

** dane producentów: Jenbacher A.G. (Austria), Solar Turbines (USA)

3. SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPŁA, ZIMNA I

ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Układy trójgeneracyjne zwykle budowane są w oparciu o

silniki spalinowe tłokowe lub turbiny gazowe i ziębiarki
absorpcyjne zasilane spalinami, parą wodną lub gorącą
wodą [10]. W wyjątkowych przypadkach, w zależności od
zmienności zapotrzebowania na poszczególne nośniki
energii oraz ich wartości ekonomicznej, można spotkać
także układy z wykorzystaniem ziębiarek sprężarkowych

parowych [9]. Często także, w celu zrównoważenia
obciążeń układu w czasie stosuje się zasobniki ciepła i
zimna.

Obecnie najczęściej wykorzystywane są dwa rodzaje

chłodziarek absorpcyjnych: bromolitowe oraz amoniakalne.
W pierwszych czynnikiem roboczym jest woda, przez co
ich zastosowanie jest ograniczone do wytwarzania
czynnika chłodniczego o temperaturze na poziomie ok. 5

O

C. Typowo znajdują one zastosowanie w układach

klimatyzacji, głównie z powodu mniejszych nakładów

inwestycyjnych

niż

w

przypadku

systemów

amoniakalnych.

Ziębiarki

amoniakalne

znajdują

zastosowanie głównie w układach przemysłowych, gdzie
wymagane są temperatury wytwarzanego czynnika poniżej
0

O

C. Przy zastosowaniu ziębiarek amoniakalnych możliwe

jest głębokie mrożenie do temperatury nawet - 60

O

C [13].

Z technicznego punktu widzenia można wyróżnić

układy, w których ciepło i zimno wytwarzane są
równocześnie oraz układy o zamiennym wytwarzaniu
ciepła lub zimna [12]. Dla analizy ogólnego przypadku
przyjęto wytwarzanie równoczesne w układzie pokazanym
schematycznie na rys. 7. Jest to układ z turbiną gazową i
kotłem odzyskowym. Analizę dla układu z silnikiem można
przeprowadzić w sposób analogiczny.

Nowoczesne

przemysłowe

agregaty

chłodnicze

sprężarkowe ze sprężarkami śrubowymi charakteryzują się
wysokimi współczynnikami efektywności chłodniczej

ε.

Na rysunku 6 dokonano porównania średniego
współczynnika efektywności chłodniczej dla agregatów
absorpcyjnych i sprężarkowych parowych w zależności od
temperatury

odparowania

czynnika

roboczego.

Współczynnik efektywności chłodniczej jest definiowany
następująco:

Układ trójgeneracyjny

TURBINA

GAZOWA

KOCIO£

ODZYSKOWY

AGREGAT

ABSORPCYJNY

( )

T

ch

E

&

'

e l

N

''

el

N

Q&

CH

Q

&

GT

Q

&

D

Q&

''

'

el

N

- ziębiarka sprężarkowa:

el

CH

s

N

Q

&

=

ε

(11)

- ziębiarka absorpcyjna:

''

el

D

CH

a

N

Q

Q

+

=

&

&

ε

(12)

gdzie:

CH

&

N

Q

- wydajność chłodnicza, N

el

- moc elektryczna

napędowa,

- moc napędu pomp chłodziarki

absorpcyjnej,

Q

- ciepło napędowe.

''

el

&

D

Rys. 7. Uproszczony schemat układu trójgeneracyjnego z
turbiną gazową, kotłem odzyskowym i amoniakalną
ziębiarką absorpcyjną

W celu opisu układu przedstawionego na rys. 7

zdefiniowano następujące wskaźniki:

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

temperatura odparowania czynnika,

O

C

ε

-

a

gregaty

spręż

a

rkowe

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

ε

-

a

gregaty

absorpcyj

ne

sprężarkowe
absorpcyjne

- wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa w
układzie trójgeneracyjnym:

( )

T

ch

CH

el

T

E

Q

Q

N

EUF

&

&

&

+

+

=

'

(14)

- wskaźnik zużycia energii elektrycznej w układzie:

S

el

el

N

N

N

'''

''

+

=

δ

(15)

- wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki
absorpcyjnej:

Rys. 6. Średnie współczynniki efektywności chłodniczej
agregatów sprężarkowych i absorpcyjnych amoniakalnych
w funkcji temperatury odparowania czynnika [8]

S

D

Q

Q

&

&

=

α

(16)

Przy zakupie energii elektrycznej z sieci, wytwarzaniu

zimna w agregacie sprężarkowym oraz wytwarzaniu ciepła
w kotle zużycie energii chemicznej paliw pierwotnych
związane z pracą obiektu wyniesie:

- wskaźnik zużycia energii elektrycznej w ziębiarce
absorpcyjnej:

D

el

Q

N

&

''

=

ω

(17)

( )

Ek

s

CH

el

tp

Eel

Ek

tp

Eel

el

R

ch

Q

Q

N

Q

N

E

η

ε

η

η

η

η

η

&

&

&

&

+













+

=

=

+

=

'

1

(13)

gdzie:

- zużycie energii na potrzeby własne inne niż

napęd pomp ziębiarki,

- całkowite ciepło wytworzone

w układzie skojarzonym. Wskaźnik

α przyjmuje wartości z

przedziału (0,1), wskaźnik

ω przyjmuje wartości 0.005 -

0.02 [8], Wskaźnik

δ może przyjmować wartości 0.02 -

0.05. Wielkości

η

'''

el

N

S

Q

&

GT

oraz

σ

stanowią cechy konstrukcyjne

układu skojarzonego.

gdzie: N

el

, N’

el

- całkowita moc elektryczna zużywana oraz

moc elektryczna inna niż do napędu agregatu chłodniczego,

- ciepło wytwarzane w kotle.

Q

&

Wykorzystując zdefiniowane wcześniej wskaźniki, po

wykonaniu przekształceń można dojść do zależności:

Z rysunku 8 wynika, że wraz ze zwiększaniem ilości

ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej zmniejsza się
wskaźnik wykorzystania energii w układzie. Najwyższą
wartość przyjmuje on dla układu czysto kogeneracyjnego
(

α = 0). Stopień pogorszenia wskaźnika EUF

T

zależny jest

od temperatury ziębienia. Istotne jest również, że możliwa
do osiągnięcia moc chłodnicza układu przy niskiej
temperaturze odparowania czynnika jest zbliżona do mocy
elektrycznej układu. Wraz z obniżaniem temperatury
ziębienia moc ta spada.

- chwilowa moc elektryczna układu netto:

(18)

)

1

(

'

δ

−

=

S

el

N

N

- chwilowa moc cieplna układu:

σ

α

−

=

1

S

N

Q

&

(19)

- chwilowa moc chłodnicza układu:

Zależność określającą oszczędność energii chemicznej

paliw uzyskaną w wyniku skojarzonego wytwarzania
ciepła, zimna i energii elektrycznej przedstawia się w tym
przypadku następująco:

σ

ω

α

ε

)

1

(

+

=

a

S

CH

N

Q

&

(20)

oraz ostatecznie do relacji na wskaźnik wykorzystania
energii chemicznej w układzie trójgeneracyjnym:













−

+

















−

+

















−

=

∆

−

T

Ek

T

tp

Eel

s

CH

T

tp

Eel

el

ch

EUF

Q

EUF

Q

EUF

N

E

1

1

1

1

1

1

'

η

η

η

ε

η

η

&

&

&

(22)









+

−

−

+

−

=

σ

α

ω

α

ε

δ

η

1

)

1

(

1

a

ES

T

EUF

(21)

Przykładowe wartości wskaźnika wykorzystania

energii chemicznej paliwa w układzie trójgeneracyjnym
oraz mocy chłodniczej pokazano na rys. 8. Obliczenia
przeprowadzono dla układu z turbiną gazową GT35
pracującą w warunkach ISO. Moc elektryczna turbiny
brutto wynosi N

S

= 16.68 MW, sprawność

η

ES

= 30.8 %,

wskaźnik skojarzenia

σ = 0.682. Ponadto przyjęto

wskaźniki:

δ = 0.04 oraz ω = 0.015 oraz średni

współczynnik efektywności chłodniczej przedstawiony na
rys. 6.

Jest to oszczędność bezpośrednia loco układy wytwórcze
wyrażona w kW na kW energii elektrycznej netto
uzyskanej z układu trójgeneracyjnego. W przypadku
globalnej analizy systemu energetycznego należy
wykorzystać odpowiednie skumulowane sprawności
pozyskania i dostawy paliwa.

40

45

50

55

60

65

70

75

80

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej α

EUF

T

temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej α

moc

chł

odni

cza

Q

CH

, MW

temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC

Na rysunku 9 przedstawiono wyniki obliczeń dla

układu z turbiną GT35 pracującej w warunkach polskich.
Przyjęto następujące wartości wskaźników [11]: sprawność
elektrowni systemowej

η

Eel

= 0.35, sprawność

transformacji i przesyłu

η

tp

= 0.92, sprawność energetyczną

kotła

η

Ek

= 0.9.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

wskaźnik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej α

oszczędność

energii

chemicznej

paliw

∆

E

ch

, M

W

temperatura odparowania: 0 degC
temperatura odparowania: -25 degC
temperatura odparowania: -50 degC

Rys. 9. Oszczędność energii chemicznej loco układy
wytwórcze uzyskana dzięki wytwarzaniu ciepła, zimna i
energii elektrycznej w układzie z turbiną GT35

Rys. 8. Zmiany wskaźnika wykorzystania energii
chemicznej paliwa w układzie trójgeneracyjnym oraz mocy
chłodniczej

w

zależności

od

ilości

ciepła

wykorzystywanego do napędu ziębiarki absorpcyjnej przy
różnych temperaturach ziębienia

Z rysunku 9 wynika, że przy skojarzonym

wytwarzaniu ciepła, zimna i energii elektrycznej w
układzie z turbiną gazową, kotłem odzyskowym i

amoniakalną

ziębiarką

absorpcyjną

może

zostać

wygenerowana oszczędność energii chemicznej paliw. Jest
ona jednak mniejsza niż w układzie skojarzonym cieplno-
elektrycznym. Szczególne duże zmniejszenie oszczędności
energii występuje przy niskich temperaturach odparowania
czynnika. Podobny efekt występuje również w przypadku
obliczeń zmniejszenia emisji substancji szkodliwych.
Wynika to głównie z niskiego współczynnika efektywności
chłodniczej ziębiarek absorpcyjnych w stosunku do
uzyskiwanego przez ziębiarki sprężarkowe parowe.

4. PODSUMOWANIE

W artykule przedstawiono analizę możliwości

zmniejszenia

zużycia

energii

chemicznej

paliw

pierwotnych

oraz

zmniejszenia

emisji

substancji

szkodliwych wynikającą ze stosowania nowoczesnych
układów skojarzonych. W niektórych przypadkach
uzyskane wartości są znaczne. Efekty te nie występują
jednak bezpośrednio w analizowanym układzie lecz w
systemie energetycznym.

Jak pokazały obliczenia efekty uzyskiwane w

układach trójgeneracyjnych są mniejsze niż w układach
czysto kogeneracyjnych. Podkreślić jednak należy, że
zastosowanie w konkretnym przypadku skojarzonego
systemu wytwarzania ciepła, zimna i energii elektrycznej
może doprowadzić do efektów korzystniejszych, jeżeli
analizie poddany zostanie odpowiednio długi odcinek czasu
(np. rok). Wykorzystanie ciepła do produkcji zimna może
okazać się korzystne w przypadku gdy np. w okresie letnim
zanika zapotrzebowanie na ciepło z układu skojarzonego
przy

niezmiennym

zapotrzebowaniu

na

energię

elektryczną.

W każdym indywidualnym przypadku projektu

budowy gazowego układu skojarzonego, głównym
czynnikiem decyzyjnym będą wskaźniki opłacalności
inwestycji. Mogą one ulec znacznej poprawie w przypadku
zastosowania w stosunku do tego typu projektów
odpowiednich stymulatorów. Może to być preferencyjna
polityka kredytowa, odpowiednie uregulowania prawne,
system dotacji czy inne. Doświadczenia krajów UE
pokazują, że działania takie mogą doprowadzić do
szybkiego przyrostu liczby instalacji. Stopień wspomagania
realizacji danej inwestycji może być tu uzależniony od
efektów systemowych jakie do jakich prowadzi dane
rozwiązanie technologiczne.

Literatura

[1] Agencja COGEN Europe: EDUCOGEN - The European

Educational Tool on Cogeneration, Second Edition. Bruksela,
Grudzień 2001

[2] Environmental aspects of Combined Heat and Power Systems – NO

x

Abatement Techniques. Raport w Komisji europejskiej ramach
programu JOULE-THERMIE,. marzec 1997.

[3] Horlock J. H. Cogeneration: Combined Heat and Power.

Termodynamics and Economics. Pergamon Press 1987.

[4] Huang F.F.: Performance assessment parameters of a cogeneration

system. Materiały międzynarodowej konferencji ECOS’96.
Sztokholm, 1996.

[5] Kalina J., Skorek J.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii

elektrycznej w urządzeniach małej mocy. Gospodarka Paliwami i
Energią nr 4/99, str. 12 - 15.

[6] Kalina J., Skorek J.: Turbiny gazowe oraz zasilane gazem tłokowe

silniki spalinowe w małych układach do skojarzonego wytwarzania
ciepła i energii elektrycznej. Gospodarka Paliwami i Energią nr 6/99,
str. 2 – 8

[7] Kalina J.: Przegląd metod oceny efektywności procesu konwersji

energii w czasie skojarzonego wytwarzania ciepła i energii
elektrycznej. Materiały I Konferencji Naukowo-Technicznej 2000
"Energetyka Gazowa". Szczyrk, 17-20.10.2000.

[8] Kalina J.: Skojarzone wytwarzanie ciepła, zimna i energii

elektrycznej w układzie z turbiną gazową, kotłem odzyskowym i
amoniakalną chłodziarką absorpcyjną. Materiały II Konferencji
Naukowo-Technicznej 2002 „Energetyka Gazowa”. Szczyrk, 23-
26.04.2002.

[9] LeGoff P., Hornut J.M.: Trigeneration: combined production of

power, heat and cooling with integrated energy storage.
Contemporary Problems of Thermal Engineering. Gliwice-Ustroń,
wrzesień 1998.

[10] Rubik M.: Aktualne problemy skojarzonej gospodarki cieplno-

chłodniczej w Polsce. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja. Nr.
10/2000.

[11] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. Wydawnictwo

Naukowe PWN, Warszawa 1998.

[12] Tchouate Hèteu P.M. Bolle L.: Energy saving trough trigeneration:

a calculation model. Materiały konferencji “Power Generation and
Sustainable Development”, Liege, Belgia, 2001

[13] Van Winckel W.H., Malewski W.F.: Cogeneration and

Refrigeration: a case study. Heating, Piping and Air Conditioning
Engineering, grudzień 1989.