Kogenerativni sistemi u funkciji daljinskog grejanja naselja

1.Koncept Kogeneracije

1.1.Pojam Kogeneracije

Kogeneracija ili CHP (combined heat and power) je proces proizvodnje električne energije sa istovremenim korišćenjem otpadne toplote,koja se inače gubi u industrijskim proceseima.Kogeneracija koristi otpadnu toplotu koja uvek nastaje prilikom dobijanja električne energije, čime se sprečava njeno emitovanje u životni proctor. Prilikom konvecionalnih načina dobijanja elektricne energije,gotovo dve trećine energetske ulazne energije se gubi na ovaj način. Kogeneracija može da iskoristi većinu te toplotne energije,čime se dobija znatno bolja iskorišćenost goriva i značajne uštede ,što sve rezultira u energetskoj uštedi od 20 do 40 %.

Kombinovano generisanje toplotne i električne energije-CHP, ili kogeneracija,je u svetu prihvaćen,priznat i atraktivan način proizvodnje električne i toplotne energije,zbog svojih niskih investicionih troškova,kraćeg perioda gradnje,smanjenja potrošnje goriva i zagađenja okoline, te povećava diverzifikacije goriva. Principi kogeneracije poznati su vec duže vreme, a tehnologija se poboljšava i razvija već godinama. Danas, moderni kogenracioni sitemi postižu efikasnost i do 90 %.

1.2.1 Princip rada sistema kogeneracije

Kogeneracija je difinisana kao kaskadno gederisanje dve vrste korisne energije iz jednog izvora primarne energije , a to su tipično mehanička i toplotna energija . Mehanička energija se moze koristiti za pogon gereatora za proizvodnju električne energije ili za okretanje-rotaciju opreme npr. Motora,kompresora,pumpi ili ventilatora,koji se koriste za razlicite namene. Toplotna energija se može koristiti za direktnu primenu za neki proces, ili indirektno za proizvodnju pare,vrele-tople vode,toplog vazduha ili ohladjene vode u svrhu hlađenja u nekom procesu ili klimatizaciju stambenih zgrada.

Kogeneracija pokriva širok spektar tehnologija za namenu u raznim privrednim delatnostima. Ukupan stepen delovanja CHP postrojenja može biti do 80 % a ponekad i iznad . Tipična mala turbinska CHP jedinica može uštedeti oko 40 % primarne energije u poređenju sa klasičnom termoelektranom na fosilno gorivo. Paralelno uz samnjenje potrošnje fosilnog goriva,kogeneracija omogućava redukciju emitovanja štetnih gasova (posebno emsiju CO2 ) na jedinicu proizvedene energije.Obzirom da je proizvodnja električne energije na mestu potrošnje ,smanjuju se troškovi vezani za električnu mrežu komunalnog elektro distributivnog preduzeća,a troškovi gubitaka u mreži su eliminisani.

1.2.2 Ekološki aspekti kogenerativnih sistema

Kogeneracija stvara uslove za kvalitetnu energetsku buducnost , umanjujući ekološka ođtećenja nastala klasičnim energetskim aktivnostima.Najvažnija ekološka prednost ovog sistema je smanjenje emisije CO2 .Kogeneracija može da smanji emisiju CO2 i do 50 % u poređenju sa uobičajenim izvorima toplotne i električne energije. Dalja korist je smanjenje emisije sumpor-dioksida i dr. Štetnih gasova.

Kvalitetno uradjeno i dobro upravljano kogenraciono postrojenje uvek će poboljšati energetsku efikasnost i znantno smanjiti emisiju CO2 . Sa tipičnom energetskom efikasnošću od , 70 do 95 %, kogeneracija je najbolje standardno resenje za sektore proizvodnje struje, odnosno toplote.

Kada se u obzir uzmu uštede od korišćenja toplote, kogeneracija predstavlja najefikasniju opciju za proizvodnju električne energije. U zemljama u kojima je liberalizovano tržište električne energije kogeneracija se može razvijati mnogo slobodnije nego na tržistima sa upravljanjim tarifama.

1.2.3 Ekonomski aspekti kogenerativnih sistema

Ekonomičnost kogeneracije usko je povezana sa detaljima konkretne primene i nacionalnim zakonskim okvirom.u mnogim slučajevima povraćaj investicije moguć je za 2 do 5 godina.Medjutim, za mnoge korisnike kogeneracija je značajna investicija, pa je neophodno proučiti sve opcije pre početka izgradnje objekta. Kako kogeneraciono postrojenje radi bar deset godina neophodno je u obyir uzeti troškove čitavog tehničkog veka postrojenja. Potrebno je obratiti pažnju na varijacije u cenama goriva i struje, kao i nejednake energetske zahteve tokom životnog veka postrojenja.

1.2.4 Indirektne koristi od kogenerativnih sistema

Indirektne koristi koje se ostvauju korišćenjem kogeneracije su :

- Smanjenje troškova za električnu energiju- Poboljšanje profitne stope i konkurentnosti - Sigurnost protiv promene cene struje- Obezbeđenje izvora energije za industrijske i komunalne objekte i- Saglasnost sa ekološkim principima

Lokalna proizvodnja električne energije putem kogeneracije može smanjiti rizik da potrošači ostanu iznenada bez izvora električne i/ili toplotne energije. Dodatno smanjenje upotrebe fosilnih goriva i korišćenje obnovljivih izvora energije sa kogeneracijom omogućuje smanjenje zavisnosti od uvozne energije – ključni izazov za evropsku energetsku budućnost.

1.3.1 Tehničke opcije za kogeneraciju – sistemi kogeneracije

Široko raspostranjene – komercijalizacije kogeneracione tehnologije uključuju parne oduzimne i protutlačne turbine , gasske turbine sa kotlom za korištenje otpadne toplote te klipne mašine sa kotlom za korištenje otpadne toplote. Postoje razlilčitikoncepti realizacije procesa kogeneracije. U principu postoje 4 osnovna tipa postrojenja kogeneracije :

- Kogeneracija sa parnom turbinom

- Kogeneracija sa gasskom turbinom

- Kogeneracija sa kombinovanom parno-gasskom turbinom

- Kogeneracija sa klipnom (SUS) motorom

1.3.1.1Sistem kogernacije sa parnom turbinom

Najraširenija je upotereba dva tipa parnih turbina : protutlačna i oduzimno-kondezaciona.Izbor između obrnutopritisne i oduzimno-kondezacione.Izbor imeđu ove dve turbine uglavnom zavisi o količinama parne i toplotne energije,kvalitetu toplotne energije i ekonomskim faktorima.Broj oduzimanja pare iz turbine može biti veći od jedan, zavisno o temperaturnim nivoima i količini toplote koju zahteva tehnološki proces.

Druga varijacija ‘’ topping’’ ciklusa kogernacije sa parnom turbinom je sistem sa oduzimno-obrnutopritisnom turbinom, koja se može primeniti kada krajnji korisnik treba toplotnu energiju na dva temperaturna nivoa. Potpuno kondenzacione parne turbine se obično koriste-inkopiraju na lokalitetima gde se otpadna toplota tehnološkog procesa koristi iskljucivo za proizvodnju električne energije.

Specifična prednost korišćenja parnih turbina u usporedbi sa drugim primarnim pokretačima je mogućnost korištenja širokog spektra konvencionalnih, kao i alternativnih goriva, kao što su ugalj, prirodni gas, tečna goriva i biomasa. Efikasnost ciklusa generisanja električne energije se može žrtvovati do određenog stepena , da se optimizuje dotok toplotne energije. Kod postrojenja sa obrnutopotisnom turbinom, otpada potreba za velikim rashladnim tornjevima. Parne turbine se obično koriste ,kada su potrebne u električnoj energiji veće od 1 MW do nekoliko desetina pa i stotina MW.Radi inercije sistema ,njihov pogon nije pogodan za lokalitete sa povremenim potrebama u energiji.

1.3.1.2 Sistem kogeneracije sa gasskom turbinom

Sistem kogeneracije sa gasskom turbinom može proizvoditi dio ili cjelokupne potrebe električne energije na lokalitetu a energija ‘’ odana’’ na visokoj temperaturi prema izduvnom traktu se može koristiti za različite potrebe grejanja i/ili hladjenja. Mada se najčešće koristi prirodni gas, moguće je primeniti i druga goriva, kao što su lako lož ulje ili disel gorivo. Tipičan opseg snaga gasskih turbina u kogeneracijama se kreće od 1MW od oko 100MW.

Razvoj kogeneracije sa gasskim turbinama je verovatno doživeo najintenzivniji rast u zadnjoj dekadi radi veće dostupnosti prirodnog gasa, brzog razvoja tehnologije , značajnog smanjenja troškova gradnje te boljih performansi prema zagadjenu okoline. Nadalje ,period planiranja i izvođenja projekata je kraći, a opemu je moguće isporučiti u modularnoj izvedbi.Gasske turbine imaju kraći period pokretanja,a fleksibilne su za rad sa prekidima. Mada gasska turbina ima nisku efikasnost pretvorbe toplotne u električnu energiju, moguće je povratiti više toplotne energije na većim temparaturama. Ako je prizvedena toplotna energija niža od potreba korisnika, moguće je uvesti dodatno sagorevanje prirodnog gasa, njegovim mešanjem sa gasovima sagorevanjem bogatim kiseonikom, da se efikasno podigne-poveća termički output postrojenja.

1.3.1.3 Kogenerativni sistem sa gasno-parnim ciklusom

Ako je u lokalitetu potrebno više električne energije u praksi se vrlo često primenjuje kombinovani sistem kogeneracije sa gasno-parnom turbinom.

U ovom sistemu koriste se visokotemperaturni izduvni gasovi iz gasne turbine za proizvodnju vosokopritisne pare u parnom kotlu na izduvne gasove. Kad je to potrebno u kotlu se koristi i dodatni gorionik na prirodni gas.

Prizvedena viskopritisna para pgoni obrnutopritisnu ili oduzimnu parnu turbinu za proizvodnju električne energije, a oduzimna ili obrnutopotisna para iz turbine koristi se za toplotnu energiju za potrebe potrošača.

Karateristike ovog sistema su visoka iskoristivost električne energije i sigurno snabdevanje toplotom energijom. Primenjuje se za ozbiljne i veće potrošače(uglavnom iznad 3-3.5). Logično je da su investicioni troškovi veći.

1.3.1.4 Sistemi kogeneracije sa klipnim motorima (SUS motori )

Klipni motori su kod nas poznati pod imenom SUS motori. Ovi sistemi kogeneracije imaju visoke stepene efikasnosti generisanja električne energije u odnosu na druge primarne pogonske mašine.

Prisutna su dva izvora povrata toplotne energije :

Izduvni plinovi na visokoj temperaturi Rashladna voda iz košuljice motora na niskom temperaturnom nivou.

Obzirom da korišćtenje otpodne toplote kod malih isitema može biti efikasno,pva postrojenja su popularnija u malim sisitemima potrošnje energije , posebno onim koji imaju potrebu za većom količinom električne energije u odnosu na toplotnu energiju i tamo gde ’’kvalitet’’ toplotne energije nije visok,npr. Para niskog pritiska, ili topla voda.

Mada je dizel gorivobilo ranije najoubičajnije, primarna pokretačka mašina se može pogoniti destilatimanafte ili prerodnim plinom. U urbanim sredinama,gde je dostupna gasna distributivna mreža, gasne mašine se primenjuju više , radi jednostavnosti upotrebe goriva , te čistijih emisija izduvnih gasova.