1 PROJEKTOWANIE URZADZEŃ WYTWARZANIA ENERGII

ELEKTRYCZNEJ, CIEPŁA I ZIMNA

Opracowanie koncepcji źródła wytwórczego realizującego skojarzoną produkcję ciepła i

energii elektrycznej wymaga przeanalizowania wszystkich uwarunkowań techniczno-
ekonomicznych związanych z założonymi celami i lokalizacją obiektu. Wymagające
uwzględnienia przesłanki związane są przede wszystkim z wielkością i zmiennością
obciążenia cieplnego oraz z wymogami eksploatacyjnymi wynikającymi z warunków
współpracy z odbiorcami ciepła. Ponadto pod uwagę muszą być brane możliwości odbioru
wyprodukowanej mocy i energii elektrycznej oraz oddziaływanie źródła na środowisko
naturalne i związane z tym problemem przepisy i ograniczenia.

Projektowane źródło powinno, obok wysokiej sprawności przetworzenia paliwa,

zapewniać konkurencyjny koszt wytworzenia ciepła i energii elektrycznej uwzględniający
zarówno nakłady inwestycyjne jak i koszty eksploatacyjne.

Wysoka efektywność energetyczna i ekonomiczna są bardzo ważnymi kryteriami

pozwalającymi na ostateczne ukształtowanie koncepcji źródła wytwórczego. Istnieje cały
szereg przesłanek technicznych i ekonomicznych, które w konkretnych warunkach mogą w
mniejszym lub większym stopniu mieć wpływ na zastosowane rozwiązania w projektowanym
układzie.

Uwarunkowania techniczne wpływające na stosowane rozwiązania
układu technologicznego elektrociepłowni

Przesłanki techniczne, mające wpływ na kształtowanie pracujących w skojarzeniu źródeł
ciepła i energii elektrycznej, można podzielić na cztery zasadnicze grupy określające
uwarunkowania związane z:


charakterystyką obciążenia cieplnego,



produkcją mocy i energii elektrycznej,



wymaganiami eksploatacyjnymi,



ochroną środowiska naturalnego.

Analiza techniczna, prowadzona z uwzględnieniem tych wymagań i ograniczeń, pozwala

na określenie uzasadnionej mocy zainstalowanej źródła, jego układu cieplnego i
technologicznego oraz dobór jednostek wytwórczych.
Podstawowym zadaniem źródeł pracujących w skojarzeniu i zasilających odbiorców bytowo-
komunalnych jest produkcja ciepła, której wielkość określa aktualne zapotrzebowanie energii
cieplnej na ogrzewanie pomieszczeń i przygotowanie ciepłej wody użytkowej. W tej sytuacji
produkcja energii elektrycznej, której wytwarzanie jest związane z obciążeniem cieplnym
pracujących w skojarzeniu jednostek wytwórczych, jest wielkością zmienną (wtórną). Jednak
w uzasadnionych przypadkach konieczne może być uzyskiwanie pewnej niezależności źródła
w pokrywaniu obciążeń cieplnych i elektrycznych (stosowanie tzw. pseudokondensacji,
wykorzystanie turbin ciepłowniczych upustowo-kondensacyjnych lub turbozespołów
gazowych pracujących z wykorzystaniem baypasu itp.), lecz prowadzi to do obniżenia
całkowitej sprawności wytwarzania.

Podstawowymi przesłankami pozwalającymi na prawidłowy dobór mocy zainstalowanej

oraz określenie struktury źródła są:

 planowana lub rzeczywista wielkość mocy cieplnej zapotrzebowanej przez

odbiorców,

 przewidywana zmienność obciążenia.

Obliczeniowe zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania pomieszczeń wyznaczane jest w

oparciu o przyjęte dla danego regionu minimalne temperatury zewnętrzne. Zmienność
obciążenia cieplnego zależy od rodzaju odbiorców ciepła (np. bytowo-komunalni,
przemysłowi). Zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla
odbiorców bytowo-komunalnych stanowi około 10 % maksymalnego (obliczeniowego)
obciążenia cieplnego. Obciążenie wyższe niż 80 % występuje w czasie około 8 - 10 dni w
roku. Średnie obciążenie stanowi, odpowiednio do temperatury zewnętrznej sezonu
grzewczego, tylko około 45 % obciążenia maksymalnego. Taki charakter przebiegu obciążeń
cieplnych w sezonie grzewczym decydować będzie o doborze jednostek wytwórczych, gdyż
od wielkości mocy jednostkowych poszczególnych urządzeń zależeć będzie stopień ich
wykorzystania, a co za tym idzie, opłacalność konkretnego rozwiązania. Łączna moc
urządzeń wytwórczych pracujących w gospodarce skojarzonej powinna pokrywać około 40 -
50 % maksymalnego zapotrzebowania, co wystarcza na zaspokojenie około 80 % rocznego
zapotrzebowania na energię.

Podstawa obciążenia cieplnego odbiorców bytowo-komunalnych może być zwiększona,

jeżeli w okresie letnim (obok zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową) pojawi się
dodatkowe zapotrzebowanie na ciepło dla systemów klimatyzacyjnych. Powstają w ten
sposób systemu trójgeneracji (dostarczanie energii elektrycznej, ciepła i „zimna”).
Zastosowanie w klimatyzacji absorpcyjnych wytwornic wody lodowej wymaga określonych
strumieni ciepła, jednak takie rozwiązanie związane jest ze zmianą parametrów
temperaturowych wody sieciowej w systemie ciepłowniczym. O ile na przygotowanie ciepłej
wody użytkowej wymagana jest temperatura nośnika ciepła na poziomie około 60

o

C, to w

przypadku trójgeneracji trzeba podnieść tą temperaturę do około 100

o

C, a w związku z tym

zmienić warunki pracy systemu ciepłowniczego.

Występująca w sezonie grzewczym duża zmienność zapotrzebowania na moc cieplną

oraz

dążenie

do

pełnego

wykorzystania

zdolności

wytwórczych

pracujących

w skojarzeniu urządzeń podstawowych sprawiają, że elektrociepłownie muszą być
wyposażone w urządzenia szczytowe, które jednocześnie mogą pełnić rolę jednostek
awaryjnych. W analizowanych źródłach przeznaczonych dla odbiorców bytowo-komunalnych
są nimi kotły wodne. Od jednostek tych wymagana jest duża elastyczność ruchowa, a w
związku z tym istotny staje się dla nich dobór rodzaju paliwa.

W trakcie opracowywania koncepcji technicznej planowanego źródła, należy także

uwzględnić występującą na przewidywanym do zasilania obszarze koncentrację odbiorców
ciepła, jak również warunki wyprowadzenia i przesyłu energii cieplnej do odbiorców.
Ekonomiczna praca elektrociepłowni wymaga pewnej niezbędnej gęstości zapotrzebowania
ciepła. Z punktu widzenia opłacalności ekonomicznej ciepłownictwo powinno koncentrować
się na obszarach miejskich o gęstej zabudowie. Gęstość cieplna różni się dość znacznie, od 20
do 30 MW/km

2

dla nowych osiedli, do około 40 do 100 MW/km

2

dla centralnych dzielnic

miast. Największą gęstość zapotrzebowania ciepła (> 200 MW/km

2

) wykazują śródmieścia,

najmniejszą natomiast (< 20 MW/km

2

) osiedla domów jednorodzinnych. Możliwości przesyłu

ciepła to zarówno stopień zaawansowania budowy istniejącego systemu ciepłowniczego (w
tym również przepustowość rurociągów), jak i możliwości techniczne wykonania kolejnych
magistral przesyłowych. Uwarunkowania te mogą mieć decydujący wpływ na wybór
koncepcji przewidującej instalację kilku źródeł lokalnych nie wymagających budowy drogich
inwestycyjnie rurociągów magistralnych.

Instalacja skojarzonego wytwarzania jest uzasadniona jedynie w sytuacji, gdy obok

zapotrzebowania na energię cieplną istnieje również możliwość zbytu wytworzonej energii

elektrycznej. Przesłanki techniczne, mające decydujący wpływ na układ technologiczny
planowanej elektrociepłowni, związane z produkcją energii elektrycznej, wynikają przede
wszystkim z warunków wyprowadzenia wytworzonej w skojarzeniu energii do krajowego
systemu elektroenergetycznego. W tym przypadku chodzi o odległość do najbliższej stacji
transformatorowo-rozdzielczej, konieczność budowy linii napowietrznej lub kablowej oraz
wymagania w zakresie niezbędnej rozbudowy i uzupełnień wyposażenia rozdzielni.
Dodatkowymi aspektami uzasadniającymi podjęcie decyzji o lokalizacji elektrociepłowni
mogą być:



spełnianie roli awaryjnego źródła energii elektrycznej,



przystosowanie urządzeń wytwórczych do pracy szczytowej,



wyposażenie jednostek wytwórczych w urządzenia umożliwiające
samorozruch przy braku zasilania zewnętrznego.

Rolę źródeł awaryjnych (agregatów prądotwórczych) mogą spełniać bloki siłowniano-

ciepłownicze o mocy od kilkudziesięciu do kilkuset kilowatów, przystosowane do pracy
wydzielonej, instalowane np. w budynkach szpitalnych. Zdolność jednostek wytwórczych do
przejmowania zwiększonych obciążeń elektrycznych w okresach szczytu porannego lub
wieczornego może być osiągnięta w przypadku bloków siłowniano-ciepłowniczych i
turbozespołów gazowych przez przystosowanie ich do pracy z okresowym, częściowym
wydmuchem spalin do otoczenia (z ominięciem wymienników ciepłowniczych) lub
stosowanie chłodnic zewnętrznych pozwalających na oddawanie ciepła do otoczenia. Jest
sprawą oczywistą, że podczas takiego trybu pracy wskaźniki techniczno-ekonomiczne
określające efektywność pracy źródła ulegną pogorszeniu. Uzyskanie przez przewidziane do
instalacji źródło skojarzone zdolności do samouruchomienia w warunkach awarii systemowej
może być dla planowanej elektrociepłowni bardzo ważnym atutem podnoszącym jej
znaczenie dla krajowego systemu elektroenergetycznego. Dotyczy to szczególnie
turbozespołów gazowych o mocy 20 - 50 MW, które w przypadku korzystnej lokalizacji
mogą być traktowane jako źródła awaryjnego rozruchu dla bloków energetycznych dużych
elektrowni systemowych.

Opracowywana koncepcja układu cieplnego i technologicznego skojarzonego źródła musi

również uwzględniać pewne wymagania eksploatacyjne wynikające z warunków współpracy
z odbiorcami ciepła i energii elektrycznej. Uwarunkowania te dotyczą przede wszystkim
wymaganej dyspozycyjności oraz zdolności regulacyjnych. Ich spełnienie może być
osiągnięte poprzez dobór odpowiedniej ilości i mocy jednostek wytwórczych oraz
dostosowanie układów regulacji i sterowania do wymagań odbiorców. W przypadku
odbiorców energii cieplnej może występować konieczność prowadzenia regulacji
jakościowej, jakościowo-ilościowej lub ilościowej. Regulacja jakościowo-ilościowa i
ilościowa wymagają zastosowania dla wody sieciowej układów pompowych o odpowiednich
możliwościach regulacyjnych.

Ze względu na zwiększające się zainteresowanie proekologicznymi rozwiązaniami

technicznymi w zakresie energetyki oraz ze względu na systematyczny wzrost kosztów
związanych z użytkowaniem środowiska naturalnego, zbiór przesłanek technicznych
związanych z ochroną środowiska odgrywa istotną rolę w trakcie prac nad przygotowaniem
koncepcji źródła wytwórczego. Zakres zagadnień związanych z tą problematyką można
podzielić na trzy grupy tematyczne:
 uwarunkowania lokalizacyjne,
 ograniczenia związane z dopuszczalnymi normami emisji i imisji zanieczyszczeń.

Rozpatrując warianty lokalizacji planowanego źródła wytwórczego należy przede

wszystkim brać pod uwagę dostępność paliwa gazowego o odpowiednim ciśnieniu oraz
wymogi dotyczące zaopatrzenia w wodę. Maksymalna odległość przesyłu ciepła dla dużych
elektrociepłowni nie powinna przekraczać 15 - 20 km. Źródła lokalne powinny być

instalowane w bezpośrednim sąsiedztwie zasilanych odbiorców. Przy ustalaniu lokalizacji
źródła wytwórczego należy także brać pod uwagę jego wpływ na otoczenie związany
z emitowanym natężeniem hałasu.

Omówione uwarunkowania techniczne mające wpływ na kształtowanie układu

technologicznego

źródła

skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej

przedstawiono na rysunku 1.1.

Rys. 1.1. Uwarunkowania techniczne wpływające na rozwiązania technologiczne

elektrociepłowni

Przesłanki ekonomiczne uwzględniane w analizie opłacalności
inwestycji

Opracowanie koncepcji źródeł skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej dla

rozpatrywanego obszaru wymaga podjęcia szeregu działań tworzących logiczną sekwencję.
Punktem wyjścia do tych prac jest precyzyjne sformułowanie warunków pracy
projektowanego obiektu, wynikających przede wszystkim z przesłanek technicznych
omówionych w poprzednim punkcie. Te dane pozwalają na tworzenie wariantowych
koncepcji technicznych planowanego źródła. Równolegle z pracami koncepcyjnymi nad
wariantami technicznych rozwiązań planowanego obiektu, powinny być, prowadzone
zakrojone na możliwie szeroką skalę, działania mające na celu szczegółowe rozpoznanie
dostępności i warunków zakupu strategicznych dla opracowywanych rozwiązań urządzeń
energetycznych. Etap prac nad koncepcjami technicznymi powinien zakończyć się
opracowaniem kilku wariantów, zróżnicowanych:
 założeniem pokrywania obciążeń cieplnych przez jedną centralną elektrociepłownię lub

kilka rozproszonych źródeł lokalnych,

 proponowanym składem i rodzajem urządzeń energetycznych (turbozespoły parowe,

gazowe, bloki siłowniano-ciepłownicze itd.),

 mocami zainstalowanymi oraz udziałem źródeł podstawowych w mocy całkowitej.

Dla każdego z opracowanych wariantów należy przeprowadzić obliczenia energetyczne

pozwalające na wyznaczenie przewidywanej produkcji energii cieplnej i elektrycznej w
zastosowanych urządzeniach wytwórczych oraz zużycia paliwa. Dysponując wielkością
zużycia paliwa można wyznaczyć jakościowy i ilościowy wpływ analizowanego wariantu
elektrociepłowni na środowisko. Tym samym staje się możliwe sformułowanie wymagań
technicznych dla urządzeń oczyszczających. Podsumowaniem tego etapu prac powinno być
określenie dla każdego z analizowanych wariantów źródeł wytwórczych następujących
danych:
 nakładów inwestycyjnych wyznaczonych możliwie dokładnie dla urządzeń

podstawowych i w sposób przybliżony dla urządzeń pomocniczych i wyposażenia,

 kosztów zakupu paliw,
 szacunkowych kosztów eksploatacyjnych obejmujących eksploatację bezpośrednią,

remonty oraz opłaty za użytkowanie środowiska.

Ostateczny wybór koncepcji układu technologicznego planowanej elektrociepłowni (lub

kilku mniejszych źródeł lokalnych) powinien nastąpić w wyniku analizy ekonomicznej
określającej opłacalność każdego z opracowywanych i wcześniej przeliczonych energetycznie
wariantów rozwiązań technicznych. Analiza ta, przeprowadzona w oparciu o wymagane przez
każdy z wariantów nakłady inwestycyjne, koszty pozyskania paliwa i pozostałe koszty
eksploatacyjne oraz uzyskane przychody wynikające z realizowanej produkcji ciepła i energii
elektrycznej, jak również z obowiązujących lub przewidywanych cen tych rodzajów energii,
wyznaczą efektywność inwestycji dla każdego z rozważanych rozwiązań technicznych. W
ocenie opłacalności szczególnie istotne jest uwzględnienie możliwie wszystkich kosztów
inwestycyjnych i eksploatacyjnych, zwłaszcza kosztów paliwa i ochrony środowiska.
Inwestycje kapitałochłonne eksploatowane przez szereg lat, co ma miejsce w przypadku
elektrociepłowni, powinny być poddane ocenom ekonomicznym przy wykorzystaniu metod
dynamicznych czyli dyskontowych (metoda wartości bieżącej netto NPV i metoda granicznej
stopy procentowej IRR). W metodach tych najważniejszymi elementami rachunku są tzw.
strumienie gotówkowe oraz dyskontowanie. Strumień gotówkowy to rezultat zestawienia
wszystkich nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych przedsięwzięcia oraz
wszystkich przychodów będących efektem zrealizowanej inwestycji. Podlega on
dyskontowaniu czyli sprowadzaniu wartości pieniężnych do ich wartości w ustalonym roku
bazowym.

Zastosowanie metod dynamicznych pozwala na uwzględnienie w analizie ekonomicznej

przedsięwzięcia pewnych dodatkowych aspektów ekonomicznych decydujących o
opłacalności inwestycji. Chodzi tu szczególnie o zespół uwarunkowań związanych ze
sposobem finansowania przedsięwzięcia. Na uzyskanie wysokiej opłacalności inwestycji
wpływać będą: udział środków własnych, warunki uzyskania kredytów a szczególnie
założona w analizie stopa dyskontowa.

Decydujący wpływ na efekt ekonomiczny planowanego przedsięwzięcia inwestycyjnego

mają jednak relacje między jednostkowymi nakładami inwestycyjnymi a cenami paliw i
cenami energii finalnej (ciepła i energii elektrycznej). Aktualne koszty inwestycyjne
nowoczesnych rozwiązań technologicznych elektrociepłowni (stosowanie turbin gazowych,
bloków siłowniano-ciepłowniczych, itp.) są zróżnicowane i relatywnie wysokie. Powoduje to,
że elektrociepłownia pracująca z dużym stopniem skojarzenia ma, obok wysokiej sprawności,
duże koszty stałe. Koszty te oraz koszty zmienne zależne przede wszystkim od ceny

zastosowanego paliwa kształtować będą poziom cen produktów finalnych (energii
elektrycznej ciepła i „zimna”) zapewniający zadowalającą efektywność inwestycji.
Elektrociepłownia, jako producent energii cieplnej działa na rynku lokalnym i oferowany
poziom cen wpływać będzie na możliwą wielkość zbytu, co warunkuje perspektywiczną
rozbudowę źródła. Możliwości oferowania konkurencyjnych cen energii cieplnej zależą od
wpływów z tytułu produkcji energii elektrycznej. W Niemczech system dotowania energii
elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu z ciepłem powoduje wzrost atrakcyjności tego typu
źródeł wytwórczych. Utrzymywanie właściwych relacji pomiędzy cenami surowców
energetycznych i produkowanej w skojarzeniu energii umożliwia przeprowadzanie
prawidłowych analiz ekonomicznych różnych wariantów technicznych elektrociepłowni.

Syntetyczne ujęcie przesłanek ekonomicznych mogących mieć wpływ na wybór koncepcji

źródła skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej przedstawiono na rysunku 1.2.
Rozwiązania technologiczne skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła różnią
się istotnie stopniem złożoności technicznej i w związku z tym różny będzie także zakres ich
możliwych zastosowań. Pojawia się więc pytanie, dla jakich obciążeń elektrociepłowni należy
każde z nich stosować?

Dla systemów ciepłowniczych o zapotrzebowaniu w sezonie grzewczym na energię

cieplną mniejszym niż 50 TJ nie ma praktycznych możliwości stosowania skojarzonego
wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z wykorzystaniem turbin gazowych. Przy założeniu,
że sezon grzewczy trwa 210 dni, produkcja 50 TJ ciepła realizowana jest ze średnią mocą
około 2,8 MW a moc szczytowa wynosi około 6 MW. Przy zastosowaniu turbiny gazowej z
kotłem odzysknicowym jej moc elektryczna byłaby mniejsza niż 1,5 MW, co ogranicza
stosowalność takiego rozwiązania. Dla źródeł ciepła o produkcji < 50 TJ można stosować
bloki siłowniano-ciepłownicze z silnikami tłokowymi, mikroturbinami lub ogniwami
paliwowymi.

Rys. 1.2. Przesłanki ekonomiczne wpływające na opłacalność planowanej inwestycji Błąd! Nie

można odnaleźć źródła odsyłacza.

Urządzenia podstawowe dla systemów ciepłowniczych wymagających więcej niż 50 TJ to

turbiny gazowe współpracujące w układzie otwartym z kotłem odzysknicowym, lub układy
gazowo-parowe. W zakresie wymaganej w sezonie grzewczym produkcji ciepła do 500 TJ,
średnia moc cieplna w sezonie grzewczym osiąga wartość do około 28 MW, a szczytowa moc
do ok. 60 MW. W tym zakresie celowe jest stosowanie turbozespołów gazowych z kotłami
odzysknicowymi. Daje to zakres stosowania turbin gazowych o mocach elektrycznych z
przedziału od 1,5 do 15 MW.

Przy produkcji powyżej 500 TJ energii cieplnej pod uwagę należy brać, obok

ciepłowniczych turbozespołów parowych, również układy gazowo-parowe, które dla takiej
produkcji miałyby następującą strukturę mocy elektrycznej: turbina gazowa około 15 MW i
turbina parowa około 7,5 MW. Układy gazowo-parowe należy stosować przede wszystkim
tam, gdzie występuje znaczne zapotrzebowanie na energię elektryczną.
Przedstawione

powyżej

rozważania

mają

charakter

analiz

przybliżonych

i pozwalają jedynie na pewne wstępne oceny. Dokładne granice opłacalności stosowania
poszczególnych rozwiązań wynikać muszą ze szczegółowych analiz technicznych i
ekonomicznych. Ostateczny wybór może być dokonany dla konkretnych warunków i z
uwzględnieniem dokładnej analizy ekonomicznej. Rozpatrując kompleksowo zagadnienia
zaopatrywania w ciepło należy wziąć również pod uwagę inne nietypowe rozwiązania i to w
zakresie stosowania paliw (zagospodarowanie odpadów produkcyjnych, energia z wysypisk
śmieci, biomasa).