Dr hab. inż. Janusz Skorek, prof. Pol. Śl. dr inż. Ryszard Bartnik
NOVEL-EnergoConsulting - Gliwice
mgr inż. Jacek Kalina
mgr inż. Henryk Wronkowski
Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej
ABB Zamech Gazpetro - Elbląg
Techniczno-ekonomiczna analiza optymalizacyjna
elektrociepłowni z gazowym silnikiem spalinowym
W ostatnich latach obserwuje się w Polsce znacz- ich możliwe zmiany w trakcie pracy), tryb pracy syste-
ny wzrost zainteresowania energetyką gazową. Spowo- mu, możliwość współpracy z siecią energetyczną i in-
dowane to jest korzyściami, jakie daje zastosowanie pa- ne. Najkorzystniejsze efekty uzyskiwane są, gdy układ
liw gazowych w stosunku do obecnie dominujących jest optymalnie skonfigurowany dla danych warunków
paliw stałych. Głównie chodzi tu o efekty środowisko- ekonomicznych.
we, wyższe sprawności urządzeń, stosunkowo dużą pro- W artykule przedstawiono wyniki obliczeń uzyskane
stotę zasilania urządzeń paliwem, połączoną z jego do- w trakcie realizacji wstępnego studium opłacalności bu-
stępnością i łatwością transportu. Nie bez znaczenia są dowy małych elektrociepłowni z tłokowymi silnikami
tu również zmieniające się uwarunkowania pracy ener- spalinowymi w warunkach krajowych. Omówiono me-
getyki zawodowej, która zaczyna działać w realiach go- todykę obliczeń, przeanalizowano wpływ cen sprzeda-
spodarki rynkowej w warunkach konkurencji pomiędzy ży ciepła i energii elektrycznej i kosztu paliwa na efek-
przedsiębiorstwami energetycznymi. tywność ekonomiczną inwestycji. Obliczenia przepro-
Jedną z technologii przeżywających swój rozwój wadzono z uwzględnieniem zmienności technicznych
w ramach energetyki gazowej jest skojarzone wytwa- parametrów pracy urządzeń jak moc elektryczna, moc
rzanie ciepła i energii elektrycznej (ang. CHP - Combi- cieplna, sprawność, wskaz
nik skojarzenia.
ned Heat and Power lub Cogeneration). Technologia
stosowana dotychczas zazwyczaj w dużych układach
elektrociepłowni parowych zasilanych węglem kamien- Ocena zapotrzebowania na ciepło i energię
nym, staje się dziś przedmiotem zainteresowania sze-
elektryczną
rokiej grupy odbiorców i producentów ciepła i energii
elektrycznej. Stało się tak za sprawą znacznego postę-
Podstawą do rozważań nad projektem zakładającym
pu w budowie turbin gazowych i tłokowych silników
budowę elektrociepłowni jest ocena zapotrzebowania
spalinowych na paliwa gazowe, zwłaszcza w odniesie-
na ciepło i energię elektryczną. W artykule przeanali-
niu do urządzeń małych mocy. Dają one możliwość bu-
zowano projekt budowy elektrociepłowni zawodowej
dowania stosunkowo niedużych układów pracujących
małej mocy, w której obydwa produkty użyteczne są
na potrzeby jednego lub kilku odbiorców energii. Jak
przedmiotem sprzedaży. Przyjęto, że energia elektrycz-
pokazuje doświadczenie krajów zachodnioeuropejskich,
na będzie w całości sprzedawana do sieci energetycz-
gdzie technologia małych układów CHP stała się po-
nej na poziomie niskiego napięcia, a ze strony sieci
pularna w połowie lat 80, realizowane projekty wyka-
energetycznej nie występują ograniczenia w zakupie
zują stosunkowo dużą efektywność ekonomiczną. Ty-
energii. Założenia takie pozwalają przeprowadzić roz-
powe okresy zwrotu dla inwestycji tego typu kształtu-
ważania nad doborem urządzeń do konfiguracji syste-
ją się w zakresie od 3,8 do 5,5 lat [1], [7]. W warun-
mu wyłącznie w oparciu o krzywą zmienności zapotrze-
kach polskich z uwagi na znacznie niższą cenę energii
bowania na ciepło, którą można przedstawić w posta-
elektrycznej okresy te są zazwyczaj dłuższe [9].
ci wykresu uporządkowanego. W artykule oszacowano
Korzystne wskaz
niki efektywności ekonomicznej
zmienność zapotrzebowania na ciepło w czasie na pod-
przyciągają zainteresowanie inwestorów, którzy starają
stawie przebiegu krzywej zmienności temperatury ze-
się realizować projekty układów CHP wszędzie tam,
wnętrznej w sezonie grzewczym oraz przyjmując stałe
gdzie występuje odpowiednio wysokie równoczesne za-
zużycie ciepła dla przygotowania ciepłej wody użytko-
potrzebowanie na ciepło i energię elektryczną u odbior-
wej (c.w.u.) poza sezonem grzewczym. Przebieg zmien-
ców. Jednak możliwy do uzyskania efekt ekonomiczny
ności temperatury zewnętrznej dla sezonu grzewczego
(zysk) zależy od wielu czynników, z których najważniej-
przedstawia równanie:
sze to: przebieg zmienności zapotrzebowania na cie-
pło i energię elektryczną, ceny paliwa, ciepła i energii
(1)
elektrycznej, charakterystyka techniczna instalowanych
urządzeń (moc, sprawność, wskaz
nik skojarzenia oraz
STRONA 65 http://www.elektroenergetyka.pl LUTY 2001
Chwilowe zapotrzebowanie ciepła w budynkach do
Drugi sposób pracy elektrociepłowni zakłada, że sil-
celów grzewczych i potrzeb c.w.u. można wyrazić wzo-
nik wytwarza ciepło wyłącznie w celu pokrycia zapo-
rem:
trzebowania u odbiorców (praca po krzywej zapotrze-
(2) bowania - pole nr 2 na rys. 1). W chwili, gdy wytwo-
rzenie wymaganej mocy cieplnej związane jest z pra-
cą silnika pod obciążeniem mechanicznym mniejszym
We wzorze tym: od dopuszczalnego dla pracy ciągłej, jest on wyłącza-
- temperatura zewnętrzna początku sezonu grzew- ny, a produkcję ciepła przejmuje kocioł rezerwowo-
czego, szczytowy. W obu trybach pracy brakującą moc ciepl-
- temperatura wewnętrzna w budynkach, ną w ilości pokrywają kotły rezerwowo-
- temperatura zewnętrzna, szczytowe.
- temperatura zewnętrzna minimalna, W dalszej części artykułu przedstawione zostaną wy-
- chwilowy strumień ciepła, niki optymalizacji doboru urządzeń do zapotrzebowa-
- strumień ciepła do celów przygotowania c.w.u., nia na ciepło dla obu zdefiniowanych trybów.
- maksymalny strumień ciepła,
, - czas bieżący i czas trwania sezonu grzewczego.
Dobór urządzeń
W celu określenia maksymalnego zapotrzebowania
na ciepło do ogrzewania przyjęto minimalną tempera-
Celem optymalizacji doboru urządzeń dla zadanego
O
turę zewnętrzną dla III strefy klimatycznej t = -20 C.
zmin
przebiegu zmienności zapotrzebowania na ciepło jest
Temperaturę początku sezonu grzewczego przyjęto rów-
znalezienie optymalnej, w danych warunkach ekono-
O
ną t = 12 C. Jako czas trwania sezonu grzewczego
pg
micznych, mocy cieplnej silnika gazowego. Podstawo-
przyjęto = 5100 godzin. Uzyskany przebieg uporząd-
wym zadaniem obliczeń optymalizacyjnych, przy zada-
kowanego wykresu zapotrzebowania ciepła dla maksy-
nym poziomie cen nośników energii, jest dobranie sil-
malnej wymaganej mocy cieplnej = 7,1 MW przed-
nika zapewniającego maksymalny zysk wynikający
stawiono na rysunku 1.
z pracy układu CHP. W przedstawionych rozważaniach
moc cieplną zainstalowaną kotłów rezerwowo-szczyto-
wych określano jako wartość stałą (nie była ona
przedmiotem zadania optymalizacyjnego). Dobór da-
nych technicznych silników dla kolejnych wariantów
konfiguracji układu przeprowadzono w oparciu o dane
uśrednione. Wykorzystano równania opracowane na
podstawie analiz zebranych informacji statystycznych
dotyczących silników gazowych pracujących w układach
CHP. Jako podstawowa wielkość do obliczeń wprowa-
dzana jest moc cieplna silnika. Pozostałe parametry, jak
moc elektryczna, sprawność i wskaz
nik skojarzenia, wy-
znaczane są przy wykorzystaniu zależności zilustrowa-
nych na rysunkach od 2 do 5.
Rys. 1. Warianty pracy modułu CHP o mocy cieplnej 3,5
MW na tle wykresu uporządkowanego temperatury zewnę-
trznej
Na rysunku 1 przedstawiono również rodzaje pracy
dobieranych modułów CHP (silników gazowych).
Uwzględniając, że zapotrzebowanie ciepła u odbiorców
jest jedynym parametrem ograniczającym pracę elek-
trociepłowni, zdefiniowano dwa zasadnicze sposoby
pracy układu.
Pierwszy (pole nr 1 na rys. 1) to praca silnika ga-
zowego pełną mocą przez czas ograniczony jedynie ko-
niecznością serwisowania urządzenia (ok. 8400 godzin
w roku). Wytwarzane w tym trybie ciepło, przekracza-
Rys.2. Sprawność znamionowa silników gazowych w funkcji
jące chwilowe zapotrzebowanie, odprowadzane jest do
znamionowej mocy
otoczenia w chłodnicy wentylatorowej (ciepło chłodze-
nia silnika) oraz w postaci gorących spalin.
LUTY 2001 http://www.elektroenergetyka.pl STRONA 66
lejnych latach działalności (włącznie z rokiem zerowym).
(3)
gdzie: t - bieżący rok eksploatacji, N - całkowita licz-
ba lat eksploatacji, CF - przepływ pieniężny w danym
t
roku t, r - stopa dyskonta
Dla rozwiązania technicznego układu, które dąży do
osiągnięcia optimum ekonomicznego, wartość NPV
przyjmuje wartość maksymalną. Daje to w rezultacie
funkcję celu w postaci:
(4)
Rys. 3. Zależność znamionowych mocy cieplnej i elektrycz-
2) Wskaz
nik wartości bieżącej netto (Net Present Value
nej dla modułu CHP z silnikiem gazowym
Ratio - NPVR), który ujmuje stosunek wartości netto
projektu do wysokości nakładów inwestycyjnych nie-
zbędnych do jej uzyskania NPV:
(5)
NPVR jest wskaz
nikiem pomocniczym pozwalającym
dokonać wyboru wariantu inwestycji przy porównywa-
niu projektów podobnych pod względem konstrukcyj-
nym, nakładów inwestycyjnych, okresu eksploatacji itp.
Przeważnie wymagane jest spełnienie warunku:
(6)
Podkreślenia wymaga fakt, że zależność (6) nie jest
funkcją celu w obliczeniach optymalizacyjnych. Maksy-
malną wartość NPVR można bowiem uzyskać przez mi-
Rys. 4. Sprawność elektryczna silnika gazowego w funkcji
nimalizację nakładów inwestycyjnych J co prowadzi do
0
obciążenia chwilowego
rozwiązań mało zawansowanych technologicznie.
3) Wewnętrzna stopa zwrotu (Internal Rate of Return -
IRR), która określa stopę dyskonta, przy której wartość
bieżąca netto obliczona dla całego okresu działalności
jest równa zero. Inwestycja jest opłacalna tylko wtedy
gdy wewnętrzna stopa zwrotu IRR jest większa od sto-
py dyskonta r.
4) Prosty oraz zdyskontowany okres zwrotu nakładów
inwestycyjnych (Simple Pay Back Period - SPBP, Di-
scounted Pay Back Period - DPBP), określające mini-
malną liczbę lat, dla której suma przepływów pienięż-
nych rzeczywistych oraz zdyskontowanych na rok od-
dania inwestycji do eksploatacji osiągną wartość rów-
Rys. 5. Wskaz
nik skojarzenia silnika gazowego w funkcji
ną zero:
obciążenia chwilowego
(7)
Ocena efektywności ekonomicznej projektu
(8)
Ocenę efektywności ekonomicznej inwestycji prze-
prowadzono wykorzystując następujące wskaz
niki: Wychodząc z definicji okresów zwrotu nakładów in-
westycyjnych, w pracy wprowadzono również pojęcia
1) Wartość bieżącą netto (Net Present Value - NPV), prostej i zdyskontowanej wartości inwestycji w kolej-
która dla czasu użytkowania układu N lat od chwili od- nych latach eksploatacji. Wielkości te uzyskuje się przez
dania inwestycji do eksploatacji, wynika z dodania do sumowanie przepływów pieniężnych CF od roku 0 do
siebie przepływów pieniężnych przewidywanych w ko- rozpatrywanego roku n.
STRONA 67 http://www.elektroenergetyka.pl LUTY 2001
Jak wynika z zależności od (3) do (8), podstawo- - koszt jednostkowy paliwa do kotła,
wym elementem oceny efektywności ekonomicznej PLN/GJ;
przedsięwzięć są przepływy pieniężne netto CF (Net , - emisja i-tego zanieczyszczenia, kg/s;
Cash Flow). Dla całego okresu eksploatacji analizowa- - opłaty za emisję, PLN/kg;
nych elektrociepłowni wyznaczano je ze wzoru: - strumień wody, kg/s;
- koszt jednostkowy wody, PLN/kg.
(9)
Wkażdej chwili pracy elektrociepłowni zapewniano
gdzie:
spełnienie bilansów energii, które dla systemu, w które-
J - całkowity poniesiony nakład inwestycyjny
0
go skład wchodzi moduł CHP, kocioł rezerwowo-szczy-
towy i przyłącze do sieci niskiego napięcia można za-
,
pisać następująco:
J - część nakładów inwestycyjnych sfinansowana ze
w
środków własnych,
(12)
J - część nakładów inwestycyjnych sfinansowana
k
z kredytów bankowych.
S - wartość całkowitej sprzedanej produkcji netto (13)
n
(przychód netto), tzn. po odjęciu podatku VAT,
K - koszty wytworzenia produkcji (w tym amortyzacja
i odsetki od kredytu),
gdzie:
P - podatek dochodowy,
d
- zapotrzebowanie na ciepło, kW;
A - amortyzacja środków trwałych,
- ciepło z układu CHP odprowadzone do
R - rata spłaty zaciągniętego kredytu,
otoczenia, kW;
L - wartość likwidacyjna przedmiotu inwestycji.
- niedobory ciepła, kW;
- energia chemiczna paliwa, kW;
Analizę opłacalności projektu wykonywano wspól-
- wskaz
nik skojarzenia.
nie z oceną techniczną parametrów pracy urządzeń
w ramach budowanej instalacji. Wyniki uzyskane z obli-
czeń technicznych stanowiły informacje wejściowe dla
obliczeń ekonomicznych. Obliczenia przeprowadzono
Analiza i optymalizacja elektrociepłowni
wielowariantowo. Jednym z celów takiego podejścia
komercyjnej
było ustalenie rozwiązania optymalnego. Dobór urzą-
dzeń przeprowadzono w oparciu o wykres zmienności
zapotrzebowania na ciepło u odbiorców. Wykorzystu-
Schemat ideowy analizowanej instalacji przedstawio-
jąc te informacje oraz charakterystyki energetyczne
no na rysunku 6. Jak już wspomniano instalacja skła-
urządzeń obliczano chwilowe strumienie kosztów w po-
da się z silnika gazowego (z chłodnicą wentylatorową),
szczególnych momentach pracy systemu [7]. Dla wy-
kotłów rezerwowo-szczytowych oraz przyłącza do sie-
znaczenia kosztów energii napędowej wykorzystywano
ci energetycznej niskiego napięcia. Ciepło wytwarzane
zależność:
w układzie kierowane jest do lokalnych odbiorców
w ilości odpowiadającej chwilowemu zapotrzebowaniu,
(10)
a energia elektryczna jest w całości sprzedawana
do sieci. Po stronie odbiorców ciepła zapotrzebowanie
W analizie ujęto również koszty środowiskowe, które
na energię elektryczną jest pokrywane przez zakup ener-
obliczano stosując zależność:
gii z sieci .
(11)
gdzie:
- moc elektryczna chwilowa modułu CHP
unit, kW;
- sprawność elektryczna modułu CHP;
- koszt jednostkowy paliwa (gazu),
PLN/GJ;
- chwilowy strumień energii elektrycznej
z sieci, kW;
- koszt jednostkowy energii elektrycznej
(zmienny w cyklu dobowym i sezono-
wym), PLN/kWh;
Rys. 6 Konfiguracja elektrociepłowni z silnikiem gazowym
- chwilowe obciążenie cieplne kotła, kW;
- sprawność;
LUTY 2001 http://www.elektroenergetyka.pl STRONA 68
W przypadku oceny projektów instalacji małych cena sprzedaży ciepła: 7 USD/GJ - 10 US/GJ,
układów CHP jednym z większych problemów jest osza- koszt zakupu gazu: 3,15 USD/GJ (10,8 USc/Nm3)
cowanie wymaganych nakładów inwestycyjnych. Są - 3,9 USD/GJ (13,4 USc/Nm3).
one funkcją mocy cieplnej i elektrycznej układu, ilości
urządzeń, stopnia złożoności, zautomatyzowania i in- Analizy przeprowadzano dla różnych wymaganych
nych czynników. Dokładne dane określające poziom na- mocy cieplnych maksymalnych po stronie odbior-
kładów uzyskuje się właściwie po podjęciu decyzji o bu- ców. W pierwszej kolejności analizowano elektrocie-
dowie obiektu na podstawie zapytań ofertowych kiero- płownię komunalną o stosunkowo dużej mocy ciepl-
wanych do dostawców urządzeń i wykonawców. W pra- nej. Maksymalne zapotrzebowanie ciepła na wykresie
cy wykorzystano dane statystyczne zebrane z podob- uporządkowanym przyjęto na poziomie 7,1 MW (rys._1).
nych, już zrealizowanych inwestycji, jak również z róż- Przyjęto, że moc cieplna zainstalowana w kotłach re-
nego rodzaju publikacji i baz danych [1], [6], [8]. Na zerwowo-szczytowych wyniesie 7 MW (2 x 3.5 MW).
rysunku 7 przedstawiono uśrednione krzywe jednost- Podstawowym urządzeniem w elektrociepłowni będzie
kowych nakładów inwestycyjnych na układ z silnikiem moduł CHP z silnikiem spalinowym. Przeanalizowano 8
gazowym. Krzywa całkowitych nakładów inwestycyj- wariantów mocy cieplnej modułu. Nakłady inwestycyj-
nych nie ujmuje kotła rezerwowo-szczytowego. ne w poszczególnych wariantach przedstawiono na
rysunku 8. Wartość całkowitych nakładów inwestycyj-
nych szacowana była dla obiektu  pod klucz , w którym
ujęto również doprowadzenie gazu oraz instalację ko-
tłów rezerwowo-szczytowych. W pierwszym etapie obli-
czeń założono, że silnik pracuje przez 8400 godzin w ro-
ku pełną mocą. Uzyskane wartości wskaz
nika NPV dla
projektu przedstawiono na rysunku 9. Kolejna seria obli-
czeń przeprowadzona była przy założeniu, że silnik pra-
cuje z mocą cieplną wynikającą z krzywej zapotrzebo-
wania (tryb pracy 2 na rys. 1). Czas pracy urządzenia
został ograniczony do 5100 godzin w roku. Wyniki obli-
czeń ekonomicznych przedstawiono na rysunku 10.
Z rysunków wynika wyraz
nie, że wraz ze skróceniem
czasu pracy modułu CHP nie tylko uległa pogorszeniu
opłacalność inwestycji, ale również zmienił się przebieg
krzywych NPV w funkcji mocy cieplnej silnika. Dla po-
szczególnych wariantów ceny sprzedaży energii elek-
Rys. 7. Uśrednione nakłady inwestycyjne na układ skojarzo-
trycznej zmieniło się położenie punktu optymalnego na
ny z silnikiem tłokowym na gaz ziemny
poszczególnych krzywych.
Obliczenia optymalizacyjne przeprowadzono przy na-
stępujących założeniach.
1. System zbudowany zostanie w oparciu o moduł CHP
z silnikiem tłokowym, kocioł gazowy rezerwowo-
szczytowy oraz przyłącze do sieci energetycznej.
2. Czas eksploatacji obiektu wynosi 15 lat.
3. Stopę dyskonta przyjęto na poziomie 8%.
4. Założono, że inwestycja będzie w całości finansowa-
na z kredytu oprocentowanego w wysokości 8%
w skali roku (kredyt dolarowy).
5. Czas spłaty kredytu wynosi 5 lat.
6. W obliczeniach nie uwzględniano wskaz
ników wzro-
stu cen i kosztów.
7. Wartość 1 USD w chwili wykonywania analiz wyno-
siła 4,09 zł.
8. W przypadku analizowania instalacji z dwoma silni-
kami założono czas wykorzystania 8760 godzin (okre-
sy serwisowe przesunięte względem siebie w cza-
sie).
9. Przyjęto następujące zakresy zmienności cen i ko-
Rys. 8. Całkowite nakłady inwestycyjne na elektrociepłownię
sztów nośników energii:
oraz nakłady na doprowadzenie gazu przy maksymalnej wy-
cena sprzedaży energii elektrycznej do sieci: 35
maganej mocy cieplnej = 7.1 MW
USD/MWh - 50 USD/MWh,
STRONA 69 http://www.elektroenergetyka.pl LUTY 2001
jest mniejsza (rys. 10), jakkolwiek tendencja przesunię-
cia w kierunku mniejszej mocy cieplnej jest tu również
zauważalna.
W dalszej części pracy ograniczono się do obliczeń
dla trybu pracy pełną mocą. Na rysunku 11 przedsta-
wiono przebieg krzywych NPV w funkcji mocy cieplnej
silnika gazowego przy założeniu stałej ceny energii elek-
trycznej (40 USD/MWh) oraz różnych cen sprzedaży cie-
pła i zakupu gazu. Analiza zmienności NPV dla projek-
tu w funkcji mocy cieplnej silnika prowadzi do wnio-
sku, że zmienność cen paliwa i ciepła wpływa w znacz-
nie mniejszym stopniu na optymalną wielkość urządze-
nia niż cena energii elektrycznej.
Rys. 9. NPV w funkcji mocy cieplnej ( = 7,1 MW
i pracy silnika pełną mocą przez 8400 godzin w roku, koszt
gazu: 3,7 USD/GJ, cena ciepła 8,5: USD/GJ)
Rys. 11. NPV w funkcji mocy cieplnej ( = 7,1 MW
i pracy silnika pełną mocą przez 8400 godzin przy zmien-
nych cenach gazu i ciepła cena energii elektrycznej 40
USD/MWh)
W tabeli 1 zestawiono wartości wskaz
ników efek-
tywności ekonomicznej uzyskanych z obliczeń,
w których przyjęto cenę sprzedaży energii elektrycznej
Rys. 10. NPV w funkcji mocy cieplnej ( = 7,1 MW
40 USD/MWh, cenę sprzedaży ciepła 10 USD/GJ oraz
i pracy silnika zgodnie z krzywą zapotrzebowania na ciepło
cenę zakupu gazu 3,7 USD/GJ.
koszt gazu: 3,7 USD/GJ, cena ciepła 8,5: USD/GJ)
Analizując dane z tabeli 1 można zauważyć, że ma-
Jak wynika z rysunku 9 i 10, bardziej opłacalna jest
ksymalna wartość NPV jest uzyskiwana dla innej mo-
praca układu skojarzonego pełną mocą. Wskaz
nik NPV
cy cieplnej silnika niż moc, przy której osiągany był
jest w tym wypadku znacznie korzystniejszy, pomimo
minimalny zdyskontowany okres zwrotu nakładów in-
faktu, że praca pełną mocą w okresie niskiego zapo-
westycyjnych. Najkorzystniejsze wartości SPBP, DPBP
trzebowania na ciepło powoduje konieczność chłodze-
oraz IRR uzyskane zostały dla silnika spełniającego wa-
nia silnika przy użyciu chłodnic wentylatorowych i od-
runek (6). W tabeli przedstawiono również wyniki dla
prowadzania gorących spalin do atmosfery. Przy wyso-
wariantu budowy elektrociepłowni w oparciu o dwa
kiej cenie energii elektrycznej (w obliczeniach 50
moduły CHP o łącznej mocy cieplnej 7 MW. Widać wy-
USD/MWh) straty ciepła są kompensowane do tego
raz
nie, że opłacalność inwestycji uległa znacznemu po-
stopnia, że opłacalna jest instalacja silnika o jak naj-
gorszeniu w stosunku do układu z jednym silnikiem.
większej mocy cieplnej. W przypadku spadku ceny ener-
Wynika to przede wszystkim ze wzrostu wymaganych
gii elektrycznej optymalna moc cieplna silnika zmniej-
nakładów inwestycyjnych. Dodatkowe pogorszenie
sza się. Gdy silnik pracuje po krzywej zapotrzebowa-
wskaz
ników wystąpiło w sytuacji, gdy praca jednego
nia na ciepło, wrażliwość położenia punktu optymalne-
z silników wpasowana była w krzywą zapotrzebowania
go krzywej NPV na zmianę ceny energii elektrycznej
ciepła. Całkowity roczny czas wykorzystania urządzenia
LUTY 2001 http://www.elektroenergetyka.pl STRONA 70
uległ skróceniu do 3450 godzin, co miało zasadniczy lizy przeprowadzono według analogicznego schematu
wpływ na obniżenie opłacalności inwestycji. obliczeń oraz przy tych samych danych wejściowych.
Zaobserwowano, że wraz ze spadkiem maksymalnej
mocy cieplnej na wykresie uporządkowanym (rys. 1)
Tabela 1 zmniejsza się opłacalność inwestycji.
Na rysunkach 12, 13 i 14 przedstawiono wyniki opty-
Wskaz
niki efektywności ekonomicznej dla układu z sil- malizacji mocy cieplnej silnika dla kolejnych wartości
nikiem spalinowym pracującym przez 8400 godzin _____. W stosunku do poprzedniej analizy zmniejszona
w roku pełną mocą została cena gazu do poziomu 3,5 USD/GJ. Nakłady in-
westycyjne na doprowadzenie gazu zmniejszano pro-
porcjonalnie do maksymalnego zapotrzebowania gazu
w instalacji. Przy najmniejszej analizowanej wymaganej
mocy cieplnej = 0,45 MW nie uzyskano dodatniej
wartości NPV.
* moc cieplna zainstalowana w kotłach rezerwowo-szczyto-
wych ustalona została na poziomie 7 MW (dwa kotły)
Rys. 13. NPV w funkcji mocy cieplnej = 1,45 MW
i pracy silnika pełną mocą przez 8400 godzin w roku (koszt
gazu: 3,5 USD/GJ, cena ciepła 8,5: USD/GJ)
Rys. 12. NPV w funkcji mocy cieplnej ( = 1,68 MW
i pracy silnika pełną mocą przez 8400 godzin w roku koszt
gazu: 3,5 USD/GJ, cena ciepła 8,5: USD/GJ)
Rys. 14. NPV w funkcji mocy cieplnej ( = 0,45 MW
i pracy silnika pełną mocą przez 8400 godzin w roku koszt
W kolejnych obliczeniach analizowano elektrocie-
gazu: 3,5 USD/GJ, cena ciepła 8,5 USD/GJ)
płownie, dla których zmniejszano maksymalną moc cie-
plną wymaganą przez odbiorców . Wszystkie ana-
STRONA 71 http://www.elektroenergetyka.pl LUTY 2001
Podsumowanie
Biorąc pod uwagę szereg zalet techniczno-eksploata-
cyjnych i środowiskowych układów gazowych należy
W artykule przedstawiono przykładowe wyniki ana- stwierdzić, że w niedługim czasie stanowić mogą one
liz techniczno-ekonomicznych małych elektrociepłowni alternatywę dla centralnych systemów energetyki za-
z tłokowymi silnikami spalinowymi zasilanymi gazem wodowej zasilanych paliwami stałymi.
ziemnym. Wyniki obliczeń wskazują na konieczność
optymalizacji mocy układów dla zadanego przebiegu
Literatura
zmienności zapotrzebowania na ciepło. Brak ograniczeń
w sprzedaży energii elektrycznej poprawia efektywność
[1] Small-scale cogeneration in non-residential buildings. Ra-
układów z uwagi na fakt, że praca silnika ze zmiennym
port Komisji Europejskiej opublikowany w ramach progra-
obciążeniem jest nieefektywna energetycznie i ekono-
mu JPULE-THERMIE. Instituto Cooperativo per l Innova-
micznie z uwagi na spadek jego sprawności (rys. 4,
zione. Rzym, 1998
10). Podkreślić jednak należy, że wrażliwość na zmia-
[2] Kalina J.: Skojarzone wytwarzanie ciepła grzejnego i ener-
ny obciążenia w układach z silnikami tłokowymi jest
gii elektrycznej w zasilanych gazem ziemnym urządzeniach
mniejsza niż w przypadku elektrociepłowni z turbinami
 małej energetyki . Materiały krajowej konferencji: Gazow-
gazowymi z uwagi na mniejszy spadek sprawności sil-
nictwo w procesie modernizacji systemów ciepłowniczych
nika przy zmniejszaniu obciążenia niż turbiny gazowej
w Polsce. GAZTERM 98. Międzyzdroje 18-20 maja 1998
[4].
[3] Skorek J., Kalina J., Bartnik R.: Koszty wytwarzania ciepła
Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że konfigura-
i energii elektrycznej w zasilanych gazem ziemnym ma-
cja układu oraz tryb jego pracy mają znaczący wpływ
łych układach skojarzonych oraz ich efektywność ekono-
na opłacalność inwestycji. Stosowanie w układzie kil-
miczna. Energetyka 1998, nr 8
ku mniejszych silników zwiększa dyspozycyjność ukła-
[4] Bartnik R., Skorek J., Wronkowski H., Kalina J.: Analiza
du w czasie konserwacji, remontów i nieprzewidzia-
porównawcza efektywności ekonomicznej skojarzonego
nych awarii. Budowa modułowa zwiększa jednak nakła-
wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w prostym i kom-
dy inwestycyjne w porównaniu z układem z jednym sil-
binowanym układzie z turbiną gazową małej mocy. Ener-
nikiem (przy takiej samej całkowitej mocy zainstalowa-
getyka 1999, nr 3, str. 134 - 141
nej), a tym samym zwiększa koszty kapitałowe. Przy
[5] Kalina J., Skorek J.: Opłacalność stosowania małych ukła-
jednoczesnym wzroście kosztów eksploatacji (głównie
dów do skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elek-
remontów i konserwacji) w konsekwencji otrzymujemy
trycznej w pojedynczych obiektach. Gospodarka Paliwami
większy koszt produkcji ciepła.
i Energią 1999, nr 7
Obliczenia pokazały również, że przy odpowiedniej
[6] Major G. Learning from experiences with small-scale co-
strukturze cen gazu, ciepła i energii elektrycznej, przy
generation. CADDET Analyses Series No. 1. Sitard, Ne-
nieograniczonej możliwości odprowadzania energii elek-
therlands 1993
trycznej do sieci, opłacalna jest praca modułu CHP peł-
[7] Witzani M., Pechtl P.: Modelling of (cogeneration)-power
ną mocą bez względu na rzeczywiste zapotrzebowanie
plants on time dependent power demands of the consu-
na ciepło. Praca w trybie 2 (pole 2 na rys. 1) powo-
mer. Materiały konferencji ASME Cogen-Turbo Conferen-
duje, że zmniejsza się w stosunku do trybu pracy 1
ce. Wiedeń (Austria), August 1995
ilość wytworzonej energii elektrycznej. Mimo jednocze-
[8] Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M. : Thermal design and
snego zmniejszenia zużycia paliwa w układzie, przy po-
optimisation. A Wiley-Interscience Publication, John Wi-
prawnej ekonomicznie relacji ceny gazu do ceny ener-
ley and Sons, INC. New York 1996
gii elektrycznej, opłacalność układu ulega pogorszeniu.
[9] Bartnik R.: Uwarunkowania stosowania w kraju opartych
Dobór mocy silnika oraz ustalenie jego trybu pracy sta-
na gazie ziemnym nowoczesnych technologii skojarzone-
nowią tym samym podstawowy problem obliczeniowy
go wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. Energetyka
przy ocenie opłacalności budowy małych elektrocie-
2000, nr 1
płowni zasilanych gazem ziemnym.
Moc cieplna modułu CHP, przy której uzyskiwane są
najkorzystniejsze wskaz
niki efektywności ekonomicznej,
zmienia się w zależności od wielkości nakładów inwe-
stycyjnych, poziomu kosztów paliwa, cen sprzedaży
energii elektrycznej i ciepła, konfiguracji systemu i try-
bu pracy urządzeń oraz przebiegu zmienności zapo-
trzebowania na ciepło u odbiorców. Jak wynika
z artykułu, przy odpowiedniej strukturze cen i kosztów
oraz przy odpowiednio wysokim poziomie zapotrzebo-
wania na ciepło, małe elektrociepłownie gazowe są in-
westycjami opłacalnymi z ekonomicznie [9]. Możliwe
do uzyskania okresy zwrotu nakładów inwestycyjnych
mogą być atrakcyjne jak dla inwestycji w energetyce.
LUTY 2001 http://www.elektroenergetyka.pl STRONA 72