OPET CHP/DH WP 1 Improving CHP/DHC in CEEC Articles Energy Centre Bratislava Ambrova 35, Bratislava, 83 101, SLOVAKIA Tel: +421 2 593 000 91 Fax: +421 2 593 000 97 E-mail: office@ecb.sk European Commission (Directorate-General for Energy and Transport) Contract no. NNE5/2002/52: OPET CHP/DH Cluster
Author(s): Samuel Piecka Organisation: Energy Centre Bratislava Address: Ambrova 35 Tel.: +421 2 593 000 91 Fax: +421 2 593 000 97 E-mail: office@ecb.sk Web: www.ecb.sk The project "OPET CHP/DH Cluster" has obtained financial support from the European Commission (Directorate-General for Energy and Transport) under the contract no. NNE5/2002/52 for Community Activities in the Field of the specific programme for RTD and demonstration on "Energy, Environment and Sustainable Development - Part B: Energy programme" The responsibility for the content on this publication lies solely with the authors. The content does not necessarily represent the opinion of the European Community and the Community is not responsible for any use that might be made of data appearing herein. - 1 -
Title: Financial resources on energy efficiency investments -Ako získať peniaze na investície do energetickej efektívnosti Date: September 2003 Magazine: Author: Abstract: Annexes Blesk (National magazine) V.Hecl - Energy Centre Bratislava, The article handles about the possibilities in energy efficiency projects funding in Slovakia. Current national sources in funding these projects are evaluated as insufficient. Therefore there is possibility of funding by a wide range of support programmes offered by European Commission mentioned. There is a description of projects which have the highest chance to obtain supply from interregional programmes on supporting energy efficiency and renewable energy sources. There are also recommendations for the parties which want to draw the support from these programmes description how to proceed in process. It means how to design business plan, what the applicant for subsidy should know about the institution and what he should not forget in process of project development. 1. Article - 2 -
Annex 1 Article - 3 -
- 4 -
Title: Directive 2004/8 EC and also what isn t cogeneration Date: September 2004 Magazine: Author: Abstract: Annexes Energia V.Hecl - Energy Centre Bratislava, P. Luby - INGCHEM The article handle about the new directive 2004/8 EC, and the following impact on the Slovak energy as well as on all the stakeholders within the energy sector. There is also described the exact definition of the cogeneration, which has been not clearly determined in the past. Furthermore the article concerns special categories of CHP, terminology, methodology for calculation of electric, heat and total efficiency and estimation of primary energy saving all in accordance with the directive. Also the concrete examples with schematic pictures of calculations are added in order to better understanding of this topic. 2. Article - 5 -
Annex 1 Article O smernici 2004/8/EC a tiež o tom, čo nie je kogenerácia Vladimír Hecl, ECB a Peter Luby, Ingchem Dňa 11. februára 2004 vstúpila do platnosti dlhoočakávaná smernica Európskej komisie a Európskeho parlamentu číslo 2004/8/EC o podpore kogenerácie založenej na výrobe a dodávkach užitočnej tepelnej energie v rámci vnútorného trhu (ďalej len Smernica ). Smernica vnáša presnejší obsah do pojmu kogenerácia a tým aj do povedomia odbornej verejnosti. Ten bol doposiaľ vnímaný prevážne ako inštalovaný výkon energetického zariadenia a jeho fyzikálnym rozmerom bola jednotka výkonu. Rozhodujúce však nie je to, aké výkonné zariadenie vlastaníme, ale koľko užitočnej energie, tým povedané kogeneračnej energie z neho získame. Záleží teda aj na tom, akým spôsobom a za akým účelom dané zariadenie prevádzkujeme. Klasická kogenerácia sa vo svojej najjednoduchšej forme vyznačuje usporiadaním pozostávajúcim z jedného parného kotla a jednej protitlakovej parnej turbíny (Obr.1.a). Podiel kogeneračnej energie pochádzajúcej z takejto schémy je možné určiť jednoznačným spôsobom. Avšak systémy obsahujúce prvky čiastočnej alebo úplnej kondenzácie, s možnosťou odchýlenia vysokotlakovej pary pred turbínou, bočným odberom strednotlakovej pary, alebo s koncovým chladením (Obr. 1.b), ako aj ďalších najmenej desať kategórií definujúcich kogeneráciu v zmysle bodov a) až k) nižšieuvedeného zoznamu sú zložitejšie. Ich analýza už nie je úplne jednoznačná a vyžaduje si unifikovanú metodiku. Práve túto problematiku Smernica rieši. Existujú najmenej dva dobré dôvody, pre ktoré je užitočné vedieť určiť, čo sa v zmysle Smernice za kogeneráciu uznáva a čo nie. Prvým dôvodom je skutočnosť, že podiel kogeneračnej energie sa v dohľadnej dobe stane kvantitatívnym ukazovateľom, od ktorého sa bude odvíjať finančná podopra či už z domácich, alebo zahraničných zdrojov. Ďalším dôvodom je potreba získať presnú predstavu vyjadrenú rečou čísel. Tá poslúži jednak pre štatistické účely sledovania kogeneračných aplikácií. Taktiež nám aspoň ex post umožní posúdiť, do akej miery sa nám podarí splniť záväzky, ku ktorým sme sa zaviazali v rámci Európskeho dohovoru. I v tomto prípade platí ono známe, radšej neskoro, než nikdy. Účel nášho príspevku je poskytnúť manual pre uplatnenie Smernice pri výpočte prínosov kogenerácie. Súc vybavení týmito teoretickými i praktickými poznatkami pokúsime sa reálne zhodnotiť možnosti splnenia vyššieuvedených cieľov a úloh. Smernici by bolo možné čo-to vyčítať, pokiaľ by sme sa na tento nekonštruktívny smer sústredili. V tejto súvislosti sa neskôr zmienime o šírke vymedzenia pojmu užitočné teplo, ktorá podľa nášho názoru znevýhodňuje prevádzkovateľov vysokoúčinných paroplynových cyklov. Zvýhodňuje zas iné záujmové kategórie, taký už je život. V rámci otvorenej medzinárodnej diskusie sme k tvorbe Smernice neprispeli. Sme preto skromní. Sme radi, že tento inak veľmi užitočný dokument je na svete a platí. Ak sme v inkriminovanom - 6 -
čase práve sedeli na striedačke, napravíme to tým, že sa s čitateľmi podelíme o niekoľko príkladov jeho praktickej aplikácie. Kategórie kogenerácie Kategórie kogenerácie, sú definované podľa Prílohy 1 Smernice (ďalej Prílohy 1 ) takto: a) kombinované cykly s využitím tepla b) parné protitlakové turbíny c) parné kondenzačné turbíny s bočným odberom d) spaľovacie turbíny s využitím tepla e) motory s vnútorným spaľovaním (piestové) f) mikroturbíny g) Stirlingové motory h) palivové články i) parné motory j) sústavy ORC (Organic Rankin Cycle) k) všetky ostané technológie, ktoré sú v súlade s nižšieuvedenou definíciou pojmu kogenerácia. Niektoré pojmy zaužívané v problematike kogenerácie sú definované Smernicou, ako aj inými zdrojmi nasledovne. Kogenerácia kombinovaná výroba elektriny a tepla ( KVET ) v rámci jedného procesu. Užitočné teplo H CHP (GWh) alebo (GWht) teplo, ktoré uspokojuje ekonomicky zdôvodnené potreby pre vykurovanie, výrobu TÚV (teplej úžitkovej vody), či chladenia (Obr. 1.a). Vypočíta sa ako celkové teplo mínus teplo vyrobené v samostatných kotloch alebo teplo na regeneráciu pred vstupom do turbíny. Ekonomicky zdôvodnená potreba spotreba tepla, ktorá neprevyšuje potreby pre teplo a chladenie, ktoré by sa inak muselo pokryť z iných zdrojov než z KVET Elektrina z KVET - elektrická energia E CHP (GWh) alebo (GWhe) spojená s výrobou tepla (Obr. 1.a) v zmysle Prílohy II. Smernice. Záložná elektrina elektrina, ktorá musí byť dodaná v prípade odstávky alebo výpadku kogeneračnej jednotky (KJ). Špičková elektrina elektrina ktorá musí byť dodaná zo siete v prípade, že požiadavka na elektrinu je - 7 -
vyššia, než elektrický výkon v procese KVET. Tepelná, elektrická a celková účinnost sú definované ako podiel výroby tepla, elektriny, či oboch a tepelného obsahu vstupného paliva F (GWh) (Obr. 1.a) určeného na základe jeho dolnej výhrevnosti (LHV). o Tepelná účinnosť UH = H / F (%) o Elektrická účinnosť UE = E / F (%) o Celková účinnosť U = (H + E) / F (%) Tepelná, elektrická a celková účinnost KVET sú definované ako podiel výroby tepla, elektriny v kogenerácii, a tepelného obsahu vstupného paliva F (GWh) (Obr. 1.a) určeného na základe jeho dolnej výhrevnosti (LHV). o Tepelná účinnosť KVET UH CHP = H CHP / F (%) o Elektrická účinnosť KVET UE CHP = E CHP / F (%) o Celková účinnosť KVET U CHP = (H CHP + E CHP ) / F (%) Vysoko účinná kogenerácia je definovaná v Prílohe III(a) Smernice. Ide o kogeneračný proces, ktorým sa dosiahne najmenej 10% úspory paliva v porovnaní s oddelenou výrobou energie. Referenčná účinnosť pre oddelenú produkciu (elektrická - UE REF a tepelná - UH REF ) je účinnosť alternatívnej oddelenej výroby elektriny a tepla, s ktorou je kogeneračný proces porovnávaný Mikrokogenerácia kogenerácia do výkonu 50 kwe Malá kogenerácia kogenerácia do výkonu 1 MWe Kogeneračná produkcia súčet elektrickej a mechanickej energie a užitočného tepla z KVET Treba upozorniť, že všetky relevantné veličiny použité v Smernici sa vzťahujú na dolnú výhrevnosť paliva (LHV Lower Heating Value). Kalkulácia množstva elektriny z KVET a výpočet úspory primárnej energie Stanovenie množstva elektriny z KVET sa podľa Smernice určí na základe očakávanej alebo skutočnej prevádzky zdroja za normálnych podmienok. V prípade mikrokogenerácie môže byť výpočet uskutočnený na báze certifikovaných údajov. A) Množstvo elektriny z KVET bude stanovené ako celková ročná produkcia meraná na svorkách generátora v zmysle Prílohy 1 u týchto jednotiek: - 8 -
pre kategórie CHP typu b), d), e), f), g a h), s celkovou ročnou účinnosťou najmenej 75%; pre kategórie CHP typu a), a c) s celkovou ročnou účinnosťou najmenej 80%. B) U tých systémov KVET, ktoré nedosahujú účinnosti podľa bodu A) bude množstvo elektriny z KVET stanovené podľa vzorca: kde E CHP = H CHP. C, (01) E CHP (GWh) je elektrina vyrobená v rámci kogenerácie (KVET); C je pomer [(elektrina / užitočné teplo) v rámci kogenerácie]. Kalkulácia množstva elektriny z KVET musí byť založená na skutočnom pomere elektrina / teplo počas celoročnej prevádzky. Pokiaľ tento pomer nie je známy, môže byť použitá jeho hodnota z Tabuľky 1: Tabuľka 1: Hodnoty pomeru elektrina / užitočné teplo při kogener8cii. Typ kogeneračnej jednotky C Kombinovaný cyklus s plynovou turbínou a využitím tepla 0,95 Protitlaková parná turbína 0,45 Kondenzačná odberová turbína 0,45 Plynová turbína s využitím tepla 0,55 Spaľovací motor 0,75 V prípade ak členský štát zavedie odlišné, ale u neho reálne pomery pre hodnoty C pre KVET typu f), g), h), i), j), k), musia byť tieto pomery zverejnené a oznámené Komisii. C) Ak podiel energie vo vstupnom palive do KVET je tvorený chemicky alebo z recyklácie, môže byť odpočítaný pred výpočtom celkovej účinnosti. D) Členské štáty môžu určiť hodnotu C ako pomer medzi elektrinou a užitočným teplom, ak prevádzka v kombinovanom cykle prebieha väčšinou na nižší výkon a teda na iných parametroch než nominálných. - 9 -
Zmysel vyčíslenia elektriny z kogenerácie je dvojaký. Je potrebný jednak pre štatistické účely jeho sledovania na národnej úrovni ako aj na úrovni Únie. Okrem toho umožňuje vykonať výpočet úspor primárnej energie z titulu KVET, čo je predmetom ďalšieho pokračovania nášho príspevku. Výpočet energetických úspor sa vykonáva na základe pojmu vysokoúčinnej KVET, ktorou sa v zmysle Smernice rozumie: E) Produkcia z KVET prinášajúca úspory primárnych palív, kalkulovaných podľa nižšieuvedeného vzťahu (02), vo výške najmenej 10% v porovnaní s oddelenou výrobou elektriny a tepla, F) produkcia z KVET tzv. malej kogenerácie a mikrokogenerácie. Výpočet energetických úspor sa vyčísli podľa nasledujúceho vzorca: kde PES = 100-100 / ( UH CHP / UH REF + UE CHP / UE REF ), (02) PES (Primary Energy Savings) sú úspory primárnej energie (%) UE REF značí referenčnú elektrickú účinnosť pre oddelený spôsob výroby elektriny UH REF značí referenčnú tepelnú účinnosť pre oddelený spôsob výroby tepla UE CHP je účinnosť kogeneračnej výroby elektriny daná ako podiel ročnej výroby elektriny z kogenerácie E CHP delenej energetickým obsahom paliva P CHP spotrebovaného na výrobu elektriny z kogenerácie a užitočného tepla UH CHP je účinnosť kogeneračnej výroby užitočného tepla, daná ako podiel ročnej výroby užitočného tepla z kogenerácie H CHP delenej energetickým obsahom paliva P CHP spotrebovaného na výrobu elektriny z kogenerácie a užitočného tepla Účinnosti označené indexom REF sú tzv. harmonické referenčné hodnoty, ktoré budú odsúhlasené na úrovni Únie najneskôr do termínu 21.02.2006. Budú stanovené na základe rôznych faktorov, ako napríklad rok výstavby zariadenia, typ paliva a budú vypočítané na základe dobre zdokumentovanej analýzy skutočných prevádzkových údajov, cezhraničnej výmeny elektriny, zloženia palivovej základne, klimatických podmienok, aplikovaných kogeneračných technológií atď. V tomto bode sa dostávame do citlivého stretu medzi konzervatívnym a agresívnym chápaním pojmu kogenerácia. Úspory primárnej energie sú totiž matematicky silno závislé od hodnôt referenčných účinností. Čím tieto budú nižšie, tým vyššie úspory sa vyčíslia a naopak. Ak prevládne snaha dokázať svetu, že metódou kogenerácie sa dosahujú vysoké úspory, budú tieto parametre podhodnotené, a naopak. Nech už budú akékoľvek, budú dané administratívnym výnosom, čiže výsledkom subjektívneho pohľadu jednotlivcov. Inak to ani nejde, keďže objektívna metóda na ich určenie neexistuje. Nech sa teda stane čo sa stať má, a my si prajme, aby sa tak stalo čo najskôr. Alternatívny výpočet energetických úspor. Členské štáty môžu vykonávať výpočet úspor primárnej energie bez použitia vzťahu (01) a teda bez nutnosti vylúčenia nekogeneračnej elektriny a nekogeneračného tepla nasledovne: Úspory sa vypočítajú podľa vzťahu PES = 100-100 / ( UH / UH REF + UE / UE REF ), (03) - 10 -
kde PES (Primary Energy Savings) sú úspory primárnej energie (%), UE REF značí referenčnú elektrickú účinnosť pre oddelený spôsob výroby elektriny, UH REF značí referenčnú tepelnú účinnosť pre oddelený spôsob výroby tepla, UE je účinnosť výroby elektriny daná ako podiel ročnej výroby elektriny delenej energetickým obsahom paliva spotrebovaného na výrobu elektriny a tepla, UH je účinnosť výroby tepla, daná ako podiel ročnej výroby tepla delenej energetickým obsahom paliva spotrebovaného na výrobu elektriny a tepla, Takto upravený vzťah možno použiť za podmienky, že sa jedná o vysokoúčinnú kogeneráciu, čiže produkciu z KVET prinášajúcu úspory primárních palív kalkulovanú podľa vzťahu (02) vo výške najmenej 10% v porovnaní s oddelenou výrobou elektriny a tepla. Ak sa pritom jedná o kogeneráciu o výkone nad 25 MWe, táto sa považuje za vysokoúčinnú už vtedy, ak jej celková účinnosť dosahuje 70%. Praktické príklady kalkulácie množstva elektriny z KVET a výpočtu úspory primárnej energie Vyčíslenie úspor primárnej energie predvedieme na niekoľkých príkladoch, pričom budeme používať už spomenuté definície, vzťahy, pojmy, veličiny a symboliku. Základné veličiny energetických tokov boli už uvedené na Obr. 1.a. Hodnoty energetických tokov sú vyčíslené ako jednotky energie v gigawathodinách (GWh) pre elektrinu aj teplo a rozumia sa ako celoročne kumulovaná bilančná hodnota. Na Obr. 1.b je uvedené schéma usporiadania kogeneračnej jednotky zahrnujúcej kotol B na výrobu vysokotlakovej (HP) pary, do ktorého sa dávkuje palivo o tepelnom obsahu F, a ktorého komínové straty sú S. Ďalšími komponentmi sú protitlaková parná turbína ST vybavená možnosťou bočného odberu a generátorom G, ďalej výmenník ELP nízkotlakovej (LP) pary, výmenník EIP strednotlakovej (IP) pary, rezervný výmenník ER redukovanej pary, koncový chladič EC, napájacia nádrž FWT a okruh centrálneho zásobovania teplom (CZT) s celoročnou dodávkou tepla H resp. H CHP. Príklady 1 3 sa týkajú kogeneračnej sústavy na pevné palivo zásobujúcej sieť centrálneho zásobovania teplom (CZT) podľa Obr. 1.b. Vo všetkých troch príkladoch sa jedná o tú istú sústavu, avšak fugujúcu pri troch rôznych režimoch. Spotreba paliva je F = 1000 GWh. Brutto výkon parnej turbíny nech je 50 MWe a celkový fond pracovnej doby FPD = 6000 h/rok. Tepelný výkon pri protitlakovom režime (nulový bočný odber) je 100 MWt, čo pri plnom výkone dáva pomer C = 0,5. Pre jednoduchosť zanedbávame tepelné straty do okolia, ako aj vnútornú spotrebu energie. Príklad 1 plný protitlakový režim. Pri plnom protitlakovom režime sa vyrobí 6000 x 50 / 1000 = 300 GWh elektriny, čo zodpovedá 600 GWh užitočného tepla. Celková účinnosť U = 100 x (300 + 600) / 1000 = 90%. Je to viac než limitná hodnota 75%, a preto všetka elektrická energia sa započítava do bilancie elektriny vyrobenej z KVET. - 11 -
Zo vzťahu (02) zistíme úspory primárnej energie. Ešte predtým však musíme poznať referenčné účinnosti, ktoré ako sme už uviedli, budú stanovené do 21.02.2006. Ako pracovné hodnoty si pre tento príklad preto stanovíme hodnoty UE REF = 35% a UH REF = 80%. Pre účinnosti v kogenerácii platí UE CHP = 30% a UH CHP = 60%. Dosadením príslušných hodnôt do (02) najdeme hodnotu úspor primárnej energie PES = 37,8 %, čo v absolútnom vyjadrení predstavuje 378 GWh/rok. Alternatívny výpočet podľa vzťahu (03) by v tomto jednoduchom príklade viedol k úplne rovnakým výsledkom. Príklad 2 protitlakový režim s odberom HP pary pred turbínou. Plný odber elektriny počas celého roka nie je zabezpečený. Parná turbína preto niekedy pracuje na znížený výkon, ktorý v celoročnej prevádzke zodpovedá energii E = 250 GWh. Zvýšená požiadavka na dodávku tepla do CZT je H = 650 GWh. Časť HP pary pred turbínou sa preto redukuje a v rezervnom výmenníku ER generuje dodatkové teplo 150 GWh. Užitočné teplo KVET z odberu a protitlaku je 500 GWh, čo spolu dáva celkovú výrobu tepla pre CZT 650 GWh. Celková účinnosť U = 100 x (250 + 650) / 1000 = 90%. Je to viac než limitná hodnota 75% a preto všetka elektrická energia sa započítava do bilancie elektriny vyrobenej z KVET. Teplo použité na kogeneráciu je 1000 150 = 850 GWh. Jednotlivé hodnoty účinností preto budú UE CHP = 100 x 250 / 850 = 29,4%, UH CHP = 100 x 500 / 850 = 58,8%. Ďalej platí UE REF = 35% a UH REF = 80%. Dosadením do (02) najdeme hodnotu úspor primárnej energie PES = 36,5 %. Úspory primárnej energie v absolútnom vyjadrení sú 0,365 x 850 = 310 GWh. Tie sú nižšie než v Príklade 1 v dôsledku odklonu HP pary, čím sa ochudobňuje podiel energie vyrobenej v kogenerácii. Alternatívny výpočet podľa vzťahu (03) je možné použiť tiež, keďže splňujeme podmienku kogenerácie s vysokou účinnosťou v zmysle bodu E). Podľa tohoto postupu by platilo: UE = 100 x 250 / 1000 = 25%, UH = 100 x 500 / 1000 = 50%. Ďalej platí UE REF = 35% a UH REF = 80%. Dosadením do (03) najdeme hodnotu úspor primárnej energie PES = 25,3 %. Úspory v absolútnom vyjadrení sú 0,253 x 1000 = 253 GWh. Z uvedeného vyplýva, že takýto postup by pre prevádzkovateľa ako aj pre národné hospodárstvo mal negatívny dopad. Príklad 3 protitlakový režim s odberom HP pary pred turbínou a dodatkovým chladením. V rámci celoročnej prevádzky dochádza jednak situácii popísanej v Príklade 2, keď časť HP pary pred turbínou sa redukuje a odkláňa od turbíny. V letných mesiacoch, keď nie je zabezpečený plný odber tepla, však dochádza tiež k opačnej situácii. Aby mohla turbína i napriek tomu pracovať na čo najvyšší výkon, časť tepla H C = 300 GWh sa marí v koncovom chladiči EC. Užitočný podiel tepla z odberu a protitlaku je 200 GWh, čo spolu s R = 150 GWh dáva celkovú výrobu tepla pre CZT H = 350 GWh. Započítaním týchto celoročných príspevkov nám vyjde hodnota pre celkovú účinnosť U = 100 x (250 + 350) / 1000 = 60%. Je to menej než limitná hodnota 75%. Na základe tohoto kritéria je neprípustné započítať všetku elektrinu do kogenerácie, keďže je jasné, že jej značná časť bola vyrobená v kondenzačnom režime. Pokiaľ bude jednotka vybavená osobitným on-line meraním elektriny vyrobenej v kogenerácii E CHP, problém jej určenia je vyriešený. Toto je však málo pravdepodobné. Preto sa táto hodnota vypočíta podľa vzťahu (01), kde H CHP = 200 GWh a C = 0.5, čo je pre našu sústavu fixne stanovený parameter (keby tomu tak nebolo, platila by hodnota C = 0,45 odčítaná z Tabuľky 1 pre položku Protitlaková parná turbína ). Jej vyčíslením nám vychádza E CHP = 100 GWh. Pre výpočet účínností použijeme v tomto prípade vzťah (02). Vychádzame z hodnoty tepla (1000 150) = 850 GWh vstupujúceho do turbíny. Z neho by sa mala vyčleniť aktívny podiel P CHP, ktorý prispieva ku kogenerácii. P CHP je daný proporcionálnym pomerom činnej kogeneračnej zložky E CHP k celkovému výkonu turbíny, čiže P CHP = 850 x 100 / 250 = 340 GWh. Jednotlivé hodnoty účinností preto budú rovnaké ako v Príklade 2, menovite UE CHP = 29,4 % resp. UH CHP = 58,8 %. V dôsledku toho taktiež veľkosť úspor primárnej energie PES = 36,5 % vyjde rovnako. Je to dané tým, že pomer E CHP / H CHP je fixovaný konštantnou hodnotou C = 0,5. - 12 -
Je to zdanlivo vysoká hodnota, vzťahuje sa však na nízky základ. Absolútna úspora primárnej energie je podstatne nižšia, menovite 340 x 0,365 = 124 GWh. Na stratách sa podpísal najmä koncový chladič, v ktorom sme utopili značnú časť našich kogeneračných ambícií. Jednoduchým testom by sme sa presvedčili, že taktiež v tomto prípade by alternatívny postup podľa vzťahu (03) viedol k nižším výsledkom (presnejšie povedané k záporným úsporám). Príklad 4 - Kogeneračná sústava s kondenzačnou turbínou s bočným odberom pary. Najjednoduchší príklad kogenerácie tohoto druhu je schematicky vyobrazený na Obr. 2. Jeho celková účinnosť U = (250 + 400) / 1000 = 65% je nižšia než 80% a preto v zmysle bodu A) musíme určiť koeficient C. Pokiaľ sa nejedná o sústavu s priamym on-line meraním energie vyrobenej v kogenerácii, je možné túto hodnotu určiť z prevádzkovej charakteristiky turbíny. Ak ani tento spôsob nie je možný hodnota C = 0,45 sa odčíta z Tabuľky 1. Podiel výroby elektriny z KVET potom bude E = 0,45 x 400 = 180 GWh. P CHP je daný proporcionálnym pomerom činnej kogeneračnej zložky E CHP k celkovému výkonu turbíny, čiže Hodnoty jednotlivých účinností budú UE REF = 35%, UH REF = 80%, UE CHP = 100 x 180 / 720 = 25%, UH CHP = 100 x 400 / 720 = 55,6 %. Ich dosadením do (02) nám vyjdú úspory P CHP = 1000 x 180 / 250 = 720 GWh. PES = 29% Absolútna hodnota úspory = 0,29 x 720 = 209 GWh / rok. Príklad 5 - Kogeneračná sústava s plynovou turbínou s využitím odpadného tepla pre centrálne vykurovanie. Najjednoduchší príklad kogenerácie tohoto druhu je schematicky vyobrazený na Obr. 3. Jeho celková účinnosť U = (300 + 300) / 1000 = 65% je nižšia než 75% a preto v zmysle bodu A) určíme koeficient C. Pokiaľ sa nejedná o sústavu s priamym meraním energie vyrobenej v kogenerácii, hodnota C = 0,55 sa odčíta z Tabuľky 1. Užitočné teplo KVET je H CHP = 300 GWh a podiel výroby elektriny z KVET potom je E CHP = 0,55 x 300 = 165 GWh. P CHP je daný proporcionálnym pomerom činnej kogeneračnej zložky E CHP k celkovému výkonu turbíny, čiže Hodnoty jednotlivých účinností budú UE REF = 35%, UH REF = 80%, UE CHP = 100 x 165 / 550 = 30%, UH CHP = 100 x 300 / 550 = 54,5 %. Ich dosadením do (02) nám vyjdú úspory P CHP = 1000 x 165 / 300 = 550 GWh. PES = 35% Absolútna hodnota úspory = 0,35 x 550 = 192 GWh / rok. - 13 -
Príklad 6 - Kogeneračná sústava typu kombi cyklus s plynovou turbínou a s čiastočnou kondenzáciou. Najjednoduchší príklad kogenerácie tohoto druhu je schematicky vyobrazený na Obr. 4. Jeho celková účinnosť U = (300 + 120 + 300) / 1000 = 72% je nižšia než 75% a preto v zmysle bodu A) určíme koeficient C. Pokiaľ sa nejedná o sústavu s priamym meraním energie vyrobenej v kogenerácii, hodnota C = 0,95 sa odčíta z Tabuľky 1. Užitočné teplo KVET je H CHP = 300 GWh a podiel výroby elektriny z KVET potom je E CHP = 0,95 x 300 = 285 GWh. P CHP je daný proporcionálnym pomerom činnej kogeneračnej zložky E CHP k celkovému výkonu turbíny, čiže Hodnoty jednotlivých účinností budú UE REF = 50%, UH REF = 80%, UE CHP = 100 x 285 / 679 = 42%, UH CHP = 100 x 300 / 679 = 44,2 %. Ich dosadením do (02) nám vyjdú úspory P CHP = 1000 x 285 / (300 + 120) = 679 GWh. PES = 28,2 % Absolútna hodnota úspory = 0,282 x 679 = 191 GWh / rok. Uplatnením alternatívneho postupu podľa vzťahu (03) by sme získali úspory o niečo nižšie. V úvode nášho príspevku sme sa mienili o tom, že Smernica znevýhodňuje prevádzkovateľov vysokoúčinných paroplynových cyklov. Znevýhodnenie spočíva v tom, že odpadné teplo spalín plynovej turbíny sa neuznáva za užitočné teplo v zmysle kogenerácie, pokiaľ finálnou koncovkou jeho využitia je kondenzácia. Podľa nášho názoru je to byrokratické chápanie toho, čo je užitočné a čo nie. Pokiaľ naša turbína už raz elektrinu vyrobila na hriadeli generátora, malo by sa všetko ostatné čo z nej vychádza v podobe tepla chápať ako teplo užitočné, bez ohľadu na to, či jeho finálnym produktom je para, alebo ďalšia elektrina v podobe parovodného cyklu hoci aj s kondenzáciou. Nevadí. Smernica platí a ako sme už v úvode naznačili, potešia sa drobní majitelia KVET, keďže pre nich zostane väčší podiel zo spoločných finančných zdrojov. Príklad 7 - Kogeneračná sústava s motorom s vnútorným spaľovaním s využitím odpadného tepla pre centrálne vykurovanie. Najjednoduchší príklad kogenerácie tohoto druhu je schematicky vyobrazený na Obr. 5. Jeho celková účinnosť U = (60 + 30) / 150 = 60% je nižšia než 75% a preto v zmysle bodu A) určíme koeficient C. Pokiaľ sa nejedná o sústavu s priamym meraním energie vyrobenej v kogenerácii, hodnota C = 0,75 sa odčíta z Tabuľky 1. Užitočné teplo KVET je H CHP = 30 GWh a podiel výroby elektriny z KVET potom je E CHP = 0,75 x 30 = 22,5 GWh. P CHP je daný proporcionálnym pomerom činnej kogeneračnej zložky E CHP k celkovému výkonu turbíny, čiže Hodnoty jednotlivých účinností budú UE REF = 40%, UH REF = 80%, UE CHP = 100 x 22,5 / 56,2 = 40%, UH CHP = 100 x 30 / 56,2 = 53,4 %. Ich dosadením do (02) nám vyjdú úspory P CHP = 150 x 22,5 / 60 = 56,2 GWh. PES = 40 % Absolútna hodnota úspory = 0,40 x 56,2 = 22,5 GWh / rok. - 14 -
Avšak uplatnením alternatívneho postupu podľa vzťahu (03) by sme získali vyššie úspory. Účinnosti v tomto prípade by boli nasledovné: UE REF = 40%, UH REF = 80%, UE CHP = 100 x 60 / 150 = 40%, UH CHP = 100 x 30 / 150 = 20%. Úspory primárnej energie z toho vyplývajúce sú percentuálne nižšie, avšak počítajú sa z podstatne vyššieho základu, a preto ich absolútna hodnota je vyššia: PES = 20 % Absolútna hodnota úspory = 0,20 x 150 = 30 GWh / rok. Dopady Smernice na slovenskú energetiku Letmý pohľad na zoznam potencionálnych prevádzkovateľov KVET na Slovensku naznačuje prijateľný objem kapacít. Zdroje sú dvojakého druhu. Prvú skupinu tvorí drobná energetika priemyselných podnikov. Najväčšími prispievateľmi sú tieto štyri odvetvia ťažkého priemyslu: Metalurgia Spracovanie ropy a petrochémia Chemický priemysel Papier a celulóza Podnikové energetiky týchto odvetví produkujú približne 2800 GWhe/rok elektrickej energie. Ďalšiu skupinu tvoria samostatní výrobcovia tepla uvedení v Tabuľke 2. Tabuľka 2: Prehľad najväčších teplárenských spoločností SR Tepláreň Bratislava I 23.5 Výroba elektriny (GWhe/y) Výroba tepla (GWht/y) 245 Bratislava II 109.8 802 Bratislava III 17.4 167 Bratislava - západ 72.6 424 PPC Bratislava 1200 972 Trnava 10.9 372 Martinská teplárenská 121.4 733 Zvolenská teplárenská 39.2 347 Žilinaská teplárenská 134.2 808 Košice 495.0 1778 Spolu 2 224.0 6 652-15 -
Zdroj: Evaluation of the Policy and Legal Frameworks and Barriers of Biomass CHP/DHP in Slovakia, OPET CHP/DH Task 3 Biomass CHP and district heating, ECB Bratislava, 2002 Úhrnná výroba elektrickej energie týchto dvoch skupín je 5000 GWhe/rok a predstavuje približne 15% celoštátnej výroby elektrickej energie. To by na prvý pohľad naznačovalo, že podiel 11% KVET, ktorý bol podľa viacerých zdrojov deklarovaný ako skutočnosť, je reálny. Z pohľadu prísnosti Smernice sa však všetko javí inak. Dôvody skepticizmu boli matematicky precvičené na príkladoch, ktoré sme uviedli. V reálnom podnikaní týchto výrobcov je značná časť kondenzačnej výroby elektriny. Taktiež redukcia pary pred turbínou je bežným javovom. Každá tepláreň túto možnosť má, a takmer každá ju v prípade potreby aj uplatňuje. K tomu, aby sa rozlíšilo, či niekto uplatňoval kogeneračný režim alebo nie, nebude nutné angažovať kontrolný orgán. Taktiež nebude nutné sledovať, kedy a aký ventil je otvorený. Miera do akej kto uplatňoval kogeneračný režim sa prejaví v pomere spotrebovaného paliva a vyrobených energií. Ako sme sa presvedčili, KVET má svoje mantinely a čísla nepustia. Napriek tomu, že podrobnú analýzu uvedených zdrojov sme (zatiaľ) nerobili, pokúsime sa o kvalifikovaný odhad. Podľa nášho názoru reálna miera kogenerácie na Slovensku je nižšia než deklarovaných 11%. Nie sme však jedinou krajinou EU v ktorej dochádza ku korekciám. Pokiaľ by šlo o víziu dosiahnutia jej dvojnásobku do roku 2010, takýto scenár považujeme za krajne nepravdepodobný. Dôvodov je viacero, ale najbližší je fakt, že trend je skôr opačný. Sú nám známe prípady, kde potencionálne významní účastníci trhu budujú dodatkové kondenzačné systémy. Tým sa naopak ich kapacity presúvajú z oblasti KVET do oblasti jednoúčelovej elektroenergetiky. Konajú tak preto, lebo strácajú odbyt pre teplo. A odbyt pre teplo strácajú preto, lebo trh CZT nie je trhom. Ale to by už bola téma na ďalší príspevok. - 16 -
Sk (GWh) Spalin ECHP (GWh) G P CZT HCHP (GWh) Pali o F (GWh) C = ECHP / HCHP Obr.1.a Vyjadrenie základných ukazovateľov procesu kogenerácie ECHP (GWh) S Redukcia R S G HCHP (GWh) B EIP ELP Palivo F (GWh) FW Koncové chladenie (GWh) Obr. 1.b Schéma usporiadania kogeneračnej jednotky zahrnujúcej kotol B, protitlakovú parnú turbínu ST, výmenník ELP LP-pary, výmenník EIP IP-pary, výmenník ER redukovanej pary, koncový chladič EC, napájaciu nádrž FWT, okruh centrálneho zásobovania teplom (CZT) a štyri čerpadlá. - 17 -
250 GWh G 400 GWh Palivo 1000 GWh Obr. 2 Kogeneračná sústava s kondenzačnou turbínou s bočným odberom pary. - 18 -
Palivo 1000 GWh 300 GW G CZT 300 GWh Obr. 3 Kogeneračná sústava s plynovou turbínou s využitím odpadného tepla pre centrálne vykurovanie. - 19 -
Palivo 1000 GWh 120 GWh G CZT 300 GWh 300 GWh G Obr. 4 Kogenerácia typu kombi cyklus 150 GWh ICE 60 GWh G 30 GWh Obr. 5 Kogeneračná jednotka s otvoreným cyklom. ICE = motor s vnútorným - 20 -