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 energetycznego rozproszonych z
ródeł energii realizujących
gospodarkę skojarzoną przynosi efekty, które mogą
Ostatnie lata w polskiej energetyce to okres znaczących wpływać na promocję tej technologii. Do głównych
przekształceń, które obejmują zarówno nowelizację aktów efektów o takim właśnie znaczeniu należą: globalna
prawnych regulujących pracę systemu, jak również oszczędność energii chemicznej paliw oraz globalne
rozważania nad nowymi technologiami wytwarzania zmniejszenie emisji substancji szkodliwych.
użytecznych nośników energii. W odniesieniu do urządzeń W artykule przedstawiono sposób obliczeń oszczędności
wytwórczych coraz większą wagę przykłada się do takich energii chemicznej paliw oraz zmniejszenia emisji
wskaz
ników jak zapotrzebowanie energii napędowej, substancji szkodliwych. Przeanalizowano także wartości
sprawność, efektywność ekonomiczna oraz uciążliwość przyjmowane przez te wskaz
niki dla typowych technologii
ekologiczna. Rosnącym zainteresowaniem cieszą się skojarzonego wytwarzania ciepła, zimna i energii
rozproszone z
ródła energii o stosunkowo niedużej mocy elektrycznej.
elektrycznej, realizujące skojarzoną gospodarkę
energetyczną polegającą na równoczesnym wytwarzaniu 2. OSZCZ
DNOŚĆ ENERGII CHEMICZNEJ PALIW
ciepła i energii elektrycznej. Przy zastosowaniu ORAZ ZMNIEJSZENIE EMISJI SUBSTANCJI
nowoczesnych układów kogeneracyjnych zintegrowanych z SZKODLIWYCH
urządzeniem ziębniczym możliwe jest również jednoczesne
wytwarzanie w jednym układzie ciepła, zimna i energii Ilość energii chemicznej paliw pierwotnych jaka może
elektrycznej. Należy jednak podkreślić, że warunkiem zostać zaoszczędzona w skali globalnej w wyniku realizacji
koniecznym do zastosowania układu kogeneracyjnego lub danego procesu jest jednym z najbardziej istotnych
trójgeneracyjnego jest występowanie po stronie odbiorców wskaz
ników porównawczych w analizie skojarzonego
zapotrzebowania na poszczególne nośniki energii. wytwarzania użytecznych nośników energii [3][4][11].
Zapotrzebowanie to powinno charakteryzować się Oszczędność ta wyrażana jest wzorem:
odpowiednio wysokim poziomem mocy oraz odpowiednio
& & &
- "Ech = (Ech ) - (Ech ) > 0 (1)
długim czasem występowania.
R S
W poszczególnych przypadkach zapotrzebowanie na
& &
gdzie: (Ech ) ,(Ech ) - zużycie energii chemicznej w
nośniki energii u odbiorców nie jest warunkiem
R S
wystarczającym dla podjęcia decyzji o budowie układu
systemie w przypadku rozdzielonego oraz skojarzonego
skojarzonego. Przyrost liczby zrealizowanych inwestycji
wytwarzania użytecznych nośników energii.
uzależniony jest od szeregu innych czynników, z których
Uzyskaną wartość można odnieść do zużycia energii
wg raportu Komisji Europejskiej [2] jako najważniejsze
napędowej przed realizacją danego procesu (w gospodarce
podaje się:
rozdzielonej) uzyskując w ten sposób względny wskaz
nik
a) dostępność paliwa (zwykle gazu ziemnego lub innego
oszczędności:
paliwa gazowego),
&
- "Ech
b) sprzyjające regulacje prawne dotyczące kogeneracji,
FESR = (2)
c) regulacje w zakresie ochrony środowiska,
&
(Ech )
R
d) rozwój systemu podaży nośników energii,
e) poziom cen nośników energii,
gdzie: FESR oznaczenie zaczerpnięte z języka
f) konkurencyjność na rynku,
angielskiego: Fuel Energy Saving Ratio [3].
g) dostępność nowoczesnych technologii,
W podobny sposób oszacować można globalne
h) dostępność środków finansowych.
zmniejszenie emisji substancji szkodliwych do atmosfery.
Wszystkie wymienione czynniki wpływają na ostateczną
Wygodnie jest w tym celu odnieść wskaz
niki emisji
wartość wskaz
ników efektywności ekonomicznej
poszczególnych substancji szkodliwych do ilości energii
inwestycji, które w przypadku małych układów
chemicznej paliwa spalanego w procesie. Globalne
skojarzonych są kluczowym czynnikiem decyzyjnym.
zmniejszenie emisji poszczególnych substancji wrazić
Opłacalność projektu analizowana jest zwykle lokalnie,
można w tym wypadku zależnością:
przy uwzględnieniu przepływów finansowych związanych
bezpośrednio z inwestycją, zarówno w czasie jej realizacji & &
�& = (�i ) (Ech ) - (�i ) (Ech ) (3)
i
R R S S
jak i eksploatacji. Wprowadzanie do systemu
sprężarka, KO  kocioł odzyskowy, P  pompa, OC 
gdzie �i  zmniejszenie emisji substancji szkodliwej i
odbiornik ciepła, F  filtr)
[kg/s], (�i)R (�i)CHP  wskaz
nik 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 z
ródeł alternatywnych (w gospodarce rozdzielonej).
Układy skojarzone mają szczególnie istotne znaczenie
Rys. 2. Układ skojarzony z tłokowym silnikiem
dla zmniejszenia emisji CO2, gazu uważanego za jedną z
spalinowym (G  generator, P  pompa, TS 
przyczyn efektu cieplarnianego. Wielkość emisji wynika w
turbosprężarka, OC  odbiornik ciepła, WC1  wymiennik
tym przypadku wyłącznie ze stechiometrii spalania.
ciepła chłodzenia powietrza doładowania, WC2 
Przykładowo przy spalaniu gazu ziemnego o składzie: N2 -
wymiennik ciepła chłodzenia płaszcza wodnego i miski
0.818 %, CO2 - 0.183 %, CH4 - 97.769 %, C2H6 - 0.793 %,
olejowej)
C3H8 - 0.269 %, C4H10 - 0.113 %, C6H12 - 0.025 %, CH6H14
- 0.02 %, O2 - 0.01 % i wartości opałowej: 35.9 MJ/mn3
W układach skojarzonych przedstawionych na rysunkach
(GZ50), wskaz
nik emisji CO2 wynosi 56 kg/GJ energii
1 i 2 silnik lub turbina napędza generator. Ciepło,
spalonego paliwa (przy spalaniu całkowitym i zupełnym).
nazywane często ciepłem odpadowym (ang. waste heat)
Przy sprawności silnika czy turbiny rzędu 35 % daje to
częściowo wykorzystywane jest w wymiennikach ciepła.
wskaz
nik 576 kg/MWh wytworzonej energii elektrycznej.
W przypadku turbiny jest to jeden wymiennik spaliny-
Dla porównania średni wskaz
nik dla elektrowni węglowych
woda (zwany również kotłem odzyskowym), do którego
wynosi ok. 990 kg/MWh [1]. Co do pozostałych substancji
kierowane są gorące spaliny opuszczające turbinę. Bardziej
szkodliwych, wskaz
niki emisji są silnie uzależnione od
skomplikowana sytuacja ma miejsce, gdy układ zbudowany
konstrukcji urządzenia i zastosowanej technologii redukcji
jest w oparciu o tłokowy silnik spalinowy. System
emisji.
wymienników jest tu rozbudowany z uwagi na fakt, że w
Właściwie jedynym sposobem zmniejszania globalnej
silniku występuje kilka z
ródeł ciepła o zróżnicowanej
emisji CO2 w cieplnych układach energetycznych jest
temperaturze. Są to:
redukcja zużycia paliw. Zmniejszone zużycie paliw można
- ciepło chłodzenia płaszcza wodnego,
uzyskać przez zwiększenie sprawności energetycznej
- ciepło chłodzenia miski olejowej,
urządzeń oraz wskaz
nika wykorzystania energii chemicznej
- ciepło chłodzenia mieszanki doładowanej,
paliwa w układzie.
- entalpia spalin.
Zmienność zapotrzebowania na ciepło grzejne powoduje,
3. SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPA
A I ENERGII
że schematy technologiczne małych elektrociepłowni z
ELEKTRYCZNEJ
reguły są bardziej złożone. W większości przypadków
silnik bądz
turbina współpracuje z kotłami rezerwowo-
Obecnie skojarzone wytwarzanie ciepła i energii
szczytowymi i/lub zasobnikami ciepła. Kotły rezerwowo-
elektrycznej w układach gazowych małej mocy
szczytowe mogą być zasilane paliwem innym niż układ
realizowane jest głównie w oparciu o tłokowe silniki
gazowy, co prowadzi do powstania elektrociepłowni
spalinowe i turbiny gazowe. Typowe schematy układów
wielopaliwowej. Ponadto w przypadku silnika (zwłaszcza
pokazano na rys. 1 i 2.
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 wskaz
niki technicznej
efektywności procesu [8]:
Rys. 1. Prosty układ skojarzony z turbiną gazową (G 
generator, KS  komora spalania, T  turbina, S 
a) sprawność wytwarzania energii elektrycznej w układzie
1,8
skojarzonym, odniesiona do całkowitego zużycia energii EUF = 0.7
1,6
EUF = 0.8
chemicznej paliwa:
1,4
EUF = 0.9
1,2
NS
1
�ES =
(4)
&
PWd 0,8
0,6
b) wskaz
nik wykorzystania energii chemicznej paliwa
0,4
(sprawność całkowita):
0,2
0
&
NS + QS
0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
EUF = (5)
�
&
ES
PWd
Rys. 3. Zmiany wskaz
nika skojarzenia w małych układach
gdzie: EUF  oznaczenie zaczerpnięte z języka
skojarzonych w funkcji sprawności wytwarzania energii
angielskiego: Energy Utilisation Factor [3], NS  moc
elektrycznej
&
elektryczna, QS - moc cieplna.
Oszczędność energii chemicznej paliw loco układy
Ponadto jednym z ważniejszych wskaz
ników
wytwórcze, gdy układ skojarzony u odbiorcy
wykorzystywanych w opisie procesu skojarzonego jest tzw.
indywidualnego zastępuje jednocelowe układy graniczne w
wskaz
nik skojarzenia.
postaci elektrowni systemowej i centralnej kotłowni
komunalnej, można obliczyć z zależności (1) zapisanej w
NS
postaci:
(6)
� =
&
QS
& &
�ł NS QS QS NS łł
�ł �ł �ł �ł �ł �ł
�ł�ł �ł �ł �ł �ł 2 + �łśł
Wartości wskaz
ników określonych wzorami (4), (5) oraz
2
�ł�ł �tp �ł + �ł � p �ł �ł � p �tp �łśł (8)
&
(6) analizować można zarówno jako wartości chwilowe jak - "PWd = -
�ł�ł�Eel �ł �ł�Ek �ł �ł (EUF) �łśł
i średnie dla założonych okresów działania układu, np.
�łśł
�ł�ł �ł �ł �ł �ł
średnie roczne. Ich maksymalne wartości są przeważnie �łśł
�ł�ł �ł �ł �ł �ł
�ł łł �ł łł �ł łł
�ł �ł
niższe niż dla nowoczesnych procesów rozdzielonych. W
przypadku układów z silnikami tłokowymi wartość �ES gdzie: �Eel  sprawność elektrowni granicznej, �Ek -
przyjmuje wartości 0.35  0.42; dla turbin gazowych
sprawność energetyczna kotła, �tp, �� - sprawność
tp
natomiast mieści się w zakresie 0.14  0.40. Wskaz
nik
transformacji i przesyłu energii elektrycznej z elektrowni
wykorzystania energii chemicznej paliwa EUF w obu
kondensacyjnej i układu skojarzonego, �p, �� - sprawność
p
przypadkach wynosi 0.75  0.90 [5][7].
przesyłu ciepła z ciepłowni i układu skojarzonego.
Wzajemną zależność sprawności wytwarzania energii
elektrycznej �ES, wskaz
nika skojarzenia � oraz wskaz
nika
W celu wyznaczenia oszczędności energii chemicznej
wykorzystania energii chemicznej paliwa EUF można
paliw pierwotnych w skali kraju, we wzorze (8) należy
przedstawić następująco:
uwzględnić mnożnik 1/�* [11]. Symbol �* oznacza
d d
skumulowaną sprawność pozyskania i dostawy paliwa do
1
EUF = �ES �ł1+ �ł (7)
�ł �ł układu. Skumulowana oszczędność energii chemicznej
�
�ł łł
paliw określa całkowitą wielkość oszczędności możliwych
do osiągnięcia w systemie bezpośrednio w analizowanych
W rzeczywistych układach parametry te mogą przyjmować
procesach oraz w procesach je poprzedzających.
tylko określone wartości w zależności od rodzaju
Uwzględniając, że skumulowana sprawność dostawy węgla
zastosowanych urządzeń. Przy czym wartość EUF,
kamiennego wynosi szacunkowo 0.94 a gazu ziemnego
określona wzorem (7), nie może być wyższa od 1.
wysokometanowego 0.98 [11] stwierdzić należy, że efekty
Uwzględniając zakres zmienności sprawności �ES: 0.14 
systemowe będą ok. 2 � 6 % większe niż efekty procesowe.
0.42 (turbiny i silniki) [6] oraz fakt, że przez dobór
Wpływ wartości poszczególnych składników wzoru (8)
odpowiedniej powierzchni wymiany ciepła wymiennika
na procesową oszczędność energii chemicznej paliw
spaliny-czynnik grzewczy (para lub woda) w przedziale �ES
pierwotnych przeanalizowano na rys. 4. Podkreślić należy,
� 1 można kształtować różne wartości EUF, na rys. 3
że wybór różnych sprawności elektrowni granicznej jest w
przedstawiono zakres zmienności wskaz
nika skojarzenia
zgodzie z zasadą dostępu stron trzecich do sieci (TPA) w
(6). Obowiązuje on dla gazowych układów
myśl, której odbiorcy przysługuje prawo wyboru dostawcy
kogeneracyjnych z silnikami spalinowymi i turbinami
energii. Z drugiej strony wpływ na oszczędność energii
gazowymi.
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
Dla uproszczenia obliczeń założono, że �tp, �� �p, ��
tp, p
parametrów układu skojarzonego i układów granicznych
są równe jedności (co odpowiada porównywaniu układów
obliczono również względną oszczędność energii
&
loco z
ródło energii). Wartość ( - "PWd ) odniesioną do
chemicznej paliw. Wyniki zilustrowano na rys. 5.
energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu można w
tym przypadku po wykorzystaniu (6), (7) oraz (8) obliczyć
0.50
z zależności:
0.40
�ł �ł 2
1 1 1
& 0.30
�ł
- "PWd = NS �ł� + - �ł
(9)
4
��Ek �ES �ł
�ł Eel łł
0.20
1
6
3.50
0.10
2
3
3.00
0.00
2.50
4
-0.10
5
2.00
1
1.50 -0.20
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
�S
1.00
6
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)
0.50 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)
3
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)
0.00
Rys. 5. Względna oszczędność energii chemicznej paliw
-0.50
5
przypadająca na jednostkę energii elektrycznej
-1.00
wytworzonej w skojarzeniu
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
�S
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)
Jak wynika z rysunku 5 w wyniku stosowania typowych
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)
gazowych układów kogeneracyjnych możliwa oszczędność
Rys. 4. Oszczędność energii chemicznej paliw
energii chemicznej paliw loco układy wytwórcze może
przypadająca na jednostkę energii elektrycznej
osiągać wartości przewyższające 45 %. Uwzględniając
wytworzonej w skojarzeniu
efekt skumulowany, można stwierdzić, że oszczędność ta
będzie jeszcze większa. Z drugiej strony najmniejszą
Na rysunku 4 można zaobserwować trzy rodzaje
oszczędność energii chemicznej paliw uzyskano przy
przebiegu krzywych opisanych równaniem (9) w funkcji
wysokiej sprawności elektrowni zastąpionej (np.
sprawności �S, dla różnych wartości EUF oraz �Eel, �Ek:
nowoczesny układ kombinowany gazowo-parowy). W
a) EUF = �Ek - oszczędność energii chemicznej paliw
analogiczny sposób oszacować można zmniejszenie emisji
przyjmuje wartość stałą wyrażoną wzorem (9),
substancji szkodliwych, zwłaszcza CO2.
niezależną od sprawności wytwarzania energii
Przykładowe wartości efektów procesowych i
elektrycznej w silniku czy turbinie gazowej (krzywe 1
systemowych uzyskanych dla rzeczywistych urządzeń
i 6 na rys. 4),
przedstawiono w tablicy 1. Wyniki obliczeń pokazują, że
b) EUF < �Ek - krzywa oszczędności energii chemicznej
stosowanie nowoczesnych układów gazowych,
paliw ma przebieg rosnący (krzywe 3 i 5 na rys. 4).
realizujących skojarzony proces wytwarzania ciepła i
Dodatnia wartość oszczędności energii chemicznej
energii elektrycznej, w stosunku do klasycznego sposobu
paliw w stosunku do gospodarki rozdzielonej zostaje
wytwarzania tych nośników daje duże możliwości redukcji
osiągnięta po spełnieniu warunku:
zużycia paliw i emisji CO2 (a także innych substancji).
�Ek - EUF
Efekty te jednak nie są możliwe do uchwycenia na osłonie
�ES > �Eel (10)
bilansowej układu lecz w systemie (lub wybranym jego
�Ek -�Eel
fragmencie). Wielkość systemu przyjętego do analizy jak
Wymagana dla uzyskania dodatniej wartości
również sprawności urządzeń granicznych mają kluczowe
&
( - "PWd ) sprawność energetyczna zespołu silnika
znaczenie dla wyników obliczeń. Podkreślić należy, że w
lokalnych systemach energetycznych wprowadzanie
(lub turbiny) i generatora jest tym mniejsza im
układów gazowych może doprowadzić do wzrostu zużycia
mniejsza jest sprawność elektrowni granicznej oraz
paliw kopalnych oraz do zwiększenia emisji [1]. Sytuacja
im wyższy jest stopień wykorzystania energii
taka ma miejsce gdy w lokalnym systemie energetycznym
chemicznej paliwa w układzie CHP (bliższy
dominuje wykorzystanie odnawialnych z
ródeł energii lub
sprawności energetycznej kotła).
energetyka jądrowa.
c) EUF > �Ek - krzywa oszczędności energii chemicznej
paliw ma przebieg malejący (krzywe 2 i 4 na rys. 4).
FESR
w skojarzeniu
Oszcedność energii chemicznej paliw,
kW na kW energii elektrycznej wytworzon
Tablica 1
PARAMETRY PRZYKA
ADOWYCH UKA
ADÓW CHP**
Silnik tłokowy: Turbina gazowa:
Typ układu: JMS 320 GS-L.E. Saturn 20 (1)
Moc elektryczna NS, kW 1006 1146
1318 2747
&
Moc cieplna QS , kW
2593 4898
&
Energia napędowa, PWd , kW
0.763 0.417
Wskaz
nik skojarzenia �
Sprawność wytwarzania energii elektrycznej 0.388 0.234
�S �
EUF 0.896 0.795
Temperatura spalin do komina, OC 120 120
Nośnik ciepła Gorąca woda (90/70 OC) Gorąca woda (90/70 OC)
Ciepło z kotła gazowego i energia elektryczna dostarczana z sieci energetycznej są zastępowane przez
nośniki wytwarzane w skojarzeniu
0.95
Sprawność kotła gazowego �Ek
Ilość energii chemicznej paliwa
doprowadzonej do kotła w celu wytworzenia 1387 2892
&
ciepła w ilości QS , kW
0.36
Sprawność elektrowni granicznej �Eel
Sprawność transformacji i przesyłu energii
0.92
elektrycznej �tp
Energia chemiczna paliwa zużyta w
elektrowni granicznej w celu wytworzenia 3037 3460
energii elektrycznej w ilości NS, kW
Suma energii zużywanej w kotle i elektrowni 4424 6352
&
(PWd ) , kW
R
Oszczędność energii chemicznej paliwa 1831 1454
&
- "PWd loco z
ródła, kW
Względna oszczędność procesowa FESR 0.414 0.229
2000 1634
&
Skumulowana oszczędność (-"PWd )* (2),
kW
Względna oszczędność skumulowana FESR* 0.431 0.246
(2)
Szacowane skumulowane zmniejszenie 0.235 0.231
emisji CO2(3), kg/s
Szacowane skumulowane względne 61.3 45.2
zmniejszenie emisji CO2(3), %
(1)
w warunkach ISO przy uwzględnieniu strat ciśnienia na wlocie i wylocie z turbiny
* *
(2)
przyjęto sprawności dostawy paliwa: węgiel - �dw = 0.94 ; gaz - �dg = 0.98
(3)
przyjęto wskaz
niki emisji: węgiel  94 kg CO2/GJ; gaz - 56 kg CO2/GJ
** dane producentów: Jenbacher A.G. (Austria), Solar Turbines (USA)
3. SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPA
A, ZIMNA I parowych [9]. Często także, w celu zrównoważenia
ENERGII ELEKTRYCZNEJ obciążeń układu w czasie stosuje się zasobniki ciepła i
zimna.
Układy trójgeneracyjne zwykle budowane są w oparciu o Obecnie najczęściej wykorzystywane są dwa rodzaje
silniki spalinowe tłokowe lub turbiny gazowe i ziębiarki chłodziarek absorpcyjnych: bromolitowe oraz amoniakalne.
absorpcyjne zasilane spalinami, parą wodną lub gorącą W pierwszych czynnikiem roboczym jest woda, przez co
wodą [10]. W wyjątkowych przypadkach, w zależności od ich zastosowanie jest ograniczone do wytwarzania
zmienności zapotrzebowania na poszczególne nośniki czynnika chłodniczego o temperaturze na poziomie ok. 5
O
energii oraz ich wartości ekonomicznej, można spotkać C. Typowo znajdują one zastosowanie w układach
także układy z wykorzystaniem ziębiarek sprężarkowych klimatyzacji, głównie z powodu mniejszych nakładów
inwestycyjnych niż w przypadku systemów Z technicznego punktu widzenia można wyróżnić
amoniakalnych. Ziębiarki amoniakalne znajdują układy, w których ciepło i zimno wytwarzane są
zastosowanie głównie w układach przemysłowych, gdzie równocześnie oraz układy o zamiennym wytwarzaniu
wymagane są temperatury wytwarzanego czynnika poniżej ciepła lub zimna [12]. Dla analizy ogólnego przypadku
0 OC. Przy zastosowaniu ziębiarek amoniakalnych możliwe przyjęto wytwarzanie równoczesne w układzie pokazanym
jest głębokie mrożenie do temperatury nawet - 60 OC [13]. schematycznie na rys. 7. Jest to układ z turbiną gazową i
Nowoczesne przemysłowe agregaty chłodnicze kotłem odzyskowym. Analizę dla układu z silnikiem można
sprężarkowe ze sprężarkami śrubowymi charakteryzują się przeprowadzić w sposób analogiczny.
wysokimi współczynnikami efektywności chłodniczej �.
Na rysunku 6 dokonano porównania średniego
Układ trójgeneracyjny
współczynnika efektywności chłodniczej dla agregatów
TURBINA
absorpcyjnych i sprężarkowych parowych w zależności od '
&
(E ) Nel
ch T
GAZOWA
temperatury odparowania czynnika roboczego.
Współczynnik efektywności chłodniczej jest definiowany
&
QGT
KOCIOŁ
następująco: &
Q
ODZYSKOWY
&
QCH
''
- ziębiarka sprężarkowa:�s = (11) &
Nel' QD
Nel
''
Nel AGREGAT
&
& QCH
QCH
ABSORPCYJNY
- ziębiarka absorpcyjna: �a = (12)
''
&
QD + Nel
&
gdzie: QCH - wydajność chłodnicza, Nel - moc elektryczna
Rys. 7. Uproszczony schemat układu trójgeneracyjnego z
'' turbiną gazową, kotłem odzyskowym i amoniakalną
napędowa, Nel - moc napędu pomp chłodziarki
ziębiarką absorpcyjną
&
absorpcyjnej, QD - ciepło napędowe.
W celu opisu układu przedstawionego na rys. 7
6.00 0.8
zdefiniowano następujące wskaz
niki:
0.7 - wskaz
nik wykorzystania energii chemicznej paliwa w
5.00
układzie trójgeneracyjnym:
0.6
4.00
0.5 '
& &
Nel + QCH + Q
EUFT = (14)
3.00 0.4
&
(Ech )
T
0.3
2.00
0.2 - wskaz
nik zużycia energii elektrycznej w układzie:
sprężarkowe
1.00
absorpcyjne 0.1
'' ''
Nel + Nel'
0.00 0
� = (15)
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
NS
temperatura odparowania czynnika, OC
- wskaz
nik zużycia ciepła do napędu ziębiarki
Rys. 6. Średnie współczynniki efektywności chłodniczej
absorpcyjnej:
agregatów sprężarkowych i absorpcyjnych amoniakalnych
w funkcji temperatury odparowania czynnika [8] &
QD
ą = (16)
&
QS
Przy zakupie energii elektrycznej z sieci, wytwarzaniu
zimna w agregacie sprężarkowym oraz wytwarzaniu ciepła
- wskaz
nik zużycia energii elektrycznej w ziębiarce
w kotle zużycie energii chemicznej paliw pierwotnych
absorpcyjnej:
związane z pracą obiektu wyniesie:
''
Nel
Nel &
Q
� = (17)
&
(Ech) = + =
&
QD
R
�Eel�tp �Ek
(13)
'''
gdzie: Nel - zużycie energii na potrzeby własne inne niż
&
�ł łł
1 QCH &
Q
'
= + +
�łNel śł
&
napęd pomp ziębiarki, QS - całkowite ciepło wytworzone
�Eel�tp �s �Ek
�ł �ł
w układzie skojarzonym. Wskaz
nik ą przyjmuje wartości z
gdzie: Nel, N - całkowita moc elektryczna zużywana oraz
el przedziału (0,1), wskaz
nik � przyjmuje wartości 0.005 -
moc elektryczna inna niż do napędu agregatu chłodniczego,
0.02 [8], Wskaz
nik � może przyjmować wartości 0.02 -
&
Q - ciepło wytwarzane w kotle.
0.05. Wielkości �GT oraz � stanowią cechy konstrukcyjne
układu skojarzonego.
- agregaty absorpcyjne
- agregaty sprężarkowe
Wykorzystując zdefiniowane wcześniej wskaz
niki, po
wykonaniu przekształceń można dojść do zależności: Z rysunku 8 wynika, że wraz ze zwiększaniem ilości
- chwilowa moc elektryczna układu netto: ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej zmniejsza się
wskaz
nik wykorzystania energii w układzie. Najwyższą
'
Nel = NS (1- � ) (18)
wartość przyjmuje on dla układu czysto kogeneracyjnego
(ą = 0). Stopień pogorszenia wskaz
nika EUFT zależny jest
- chwilowa moc cieplna układu:
od temperatury ziębienia. Istotne jest również, że możliwa
do osiągnięcia moc chłodnicza układu przy niskiej
1-ą
&
Q = NS (19) temperaturze odparowania czynnika jest zbliżona do mocy
�
elektrycznej układu. Wraz z obniżaniem temperatury
ziębienia moc ta spada.
- chwilowa moc chłodnicza układu:
Zależność określającą oszczędność energii chemicznej
paliw uzyskaną w wyniku skojarzonego wytwarzania
� ą(1+ �)
&
QCH = NS a (20)
ciepła, zimna i energii elektrycznej przedstawia się w tym
�
przypadku następująco:
oraz ostatecznie do relacji na wskaz
nik wykorzystania
�ł łł
1 1
energii chemicznej w układzie trójgeneracyjnym:
'
&
- "Ech = Nel �ł -
śł
�ł� �tp EUFT śł
Eel
�ł �ł
�aą(1- �) -ą +1
łł
EUFT = �ES �ł1- � + (21)
�ł śł
� �ł łł
�ł �ł 1 1
&
+ QCH �ł - (22)
śł
Przykładowe wartości wskaz
nika wykorzystania �ł� �Eel�tp EUFT śł
s
�ł �ł
energii chemicznej paliwa w układzie trójgeneracyjnym
�ł łł
1 1
oraz mocy chłodniczej pokazano na rys. 8. Obliczenia
&
+ Q�ł -
przeprowadzono dla układu z turbiną gazową GT35
EUFT śł
�ł�Ek �ł
pracującą w warunkach ISO. Moc elektryczna turbiny
brutto wynosi NS = 16.68 MW, sprawność �ES = 30.8 %,
Jest to oszczędność bezpośrednia loco układy wytwórcze
wskaz
nik skojarzenia � = 0.682. Ponadto przyjęto
wyrażona w kW na kW energii elektrycznej netto
wskaz
niki: � = 0.04 oraz � = 0.015 oraz średni uzyskanej z układu trójgeneracyjnego. W przypadku
współczynnik efektywności chłodniczej przedstawiony na globalnej analizy systemu energetycznego należy
rys. 6. wykorzystać odpowiednie skumulowane sprawności
80 pozyskania i dostawy paliwa.
Na rysunku 9 przedstawiono wyniki obliczeń dla
75
układu z turbiną GT35 pracującej w warunkach polskich.
70
Przyjęto następujące wartości wskaz
ników [11]: sprawność
65
elektrowni systemowej �Eel = 0.35, sprawność
60
transformacji i przesyłu �tp = 0.92, sprawność energetyczną
55
kotła �Ek = 0.9.
temperatura odparowania: 0 degC
50
21
temperatura odparowania: -25 degC
20
temperatura odparowania: -50 degC
45
19
18
40 17
16
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
15
wskaz
nik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej ą
14
13
17
12
16
11
15 temperatura odparowania: 0 degC
10
14 9
temperatura odparowania: -25 degC
13 8
temperatura odparowania: -50 degC
7
12
temperatura odparowania: 0 degC
6
11
temperatura odparowania: -25 degC
5
10
4
9 temperatura odparowania: -50 degC
3
8
2
7
1
6
0
5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
4
3
wskaz
nik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej ą
2
1
0
Rys. 9. Oszczędność energii chemicznej loco układy
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
wskaz
nik zużycia ciepła do napędu ziębiarki absorpcyjnej ą
wytwórcze uzyskana dzięki wytwarzaniu ciepła, zimna i
Rys. 8. Zmiany wskaz
nika wykorzystania energii
energii elektrycznej w układzie z turbiną GT35
chemicznej paliwa w układzie trójgeneracyjnym oraz mocy
chłodniczej w zależności od ilości ciepła
Z rysunku 9 wynika, że przy skojarzonym
wykorzystywanego do napędu ziębiarki absorpcyjnej przy
wytwarzaniu ciepła, zimna i energii elektrycznej w
różnych temperaturach ziębienia
układzie z turbiną gazową, kotłem odzyskowym i
T
EUF
ch
"
E , MW
CH
oszczędność energii chemicznej paliw
moc chłodnicza Q
, MW
[6] Kalina J., Skorek J.: Turbiny gazowe oraz zasilane gazem tłokowe
amoniakalną ziębiarką absorpcyjną może zostać
silniki spalinowe w małych układach do skojarzonego wytwarzania
wygenerowana oszczędność energii chemicznej paliw. Jest
ciepła i energii elektrycznej. Gospodarka Paliwami i Energią nr 6/99,
ona jednak mniejsza niż w układzie skojarzonym cieplno-
str. 2  8
elektrycznym. Szczególne duże zmniejszenie oszczędności [7] Kalina J.: Przegląd metod oceny efektywności procesu konwersji
energii w czasie skojarzonego wytwarzania ciepła i energii
energii występuje przy niskich temperaturach odparowania
elektrycznej. Materiały I Konferencji Naukowo-Technicznej 2000
czynnika. Podobny efekt występuje również w przypadku
"Energetyka Gazowa". Szczyrk, 17-20.10.2000.
obliczeń zmniejszenia emisji substancji szkodliwych.
[8] Kalina J.: Skojarzone wytwarzanie ciepła, zimna i energii
Wynika to głównie z niskiego współczynnika efektywności elektrycznej w układzie z turbiną gazową, kotłem odzyskowym i
amoniakalną chłodziarką absorpcyjną. Materiały II Konferencji
chłodniczej ziębiarek absorpcyjnych w stosunku do
Naukowo-Technicznej 2002  Energetyka Gazowa . Szczyrk, 23-
uzyskiwanego przez ziębiarki sprężarkowe parowe.
26.04.2002.
[9] LeGoff P., Hornut J.M.: Trigeneration: combined production of
4. PODSUMOWANIE power, heat and cooling with integrated energy storage.
Contemporary Problems of Thermal Engineering. Gliwice-Ustroń,
wrzesień 1998.
W artykule przedstawiono analizę możliwości
[10] Rubik M.: Aktualne problemy skojarzonej gospodarki cieplno-
zmniejszenia zużycia energii chemicznej paliw
chłodniczej w Polsce. Ciepłownictwo, ogrzewnictwo, wentylacja. Nr.
pierwotnych oraz zmniejszenia emisji substancji 10/2000.
[11] Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. Wydawnictwo
szkodliwych wynikającą ze stosowania nowoczesnych
Naukowe PWN, Warszawa 1998.
układów skojarzonych. W niektórych przypadkach
[12] Tchouate HŁteu P.M. Bolle L.: Energy saving trough trigeneration:
uzyskane wartości są znaczne. Efekty te nie występują
a calculation model. Materiały konferencji  Power Generation and
jednak bezpośrednio w analizowanym układzie lecz w Sustainable Development , Liege, Belgia, 2001
[13] Van Winckel W.H., Malewski W.F.: Cogeneration and
systemie energetycznym.
Refrigeration: a case study. Heating, Piping and Air Conditioning
Jak pokazały obliczenia efekty uzyskiwane w
Engineering, grudzień 1989.
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 wskaz
niki 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  NOx
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.