Zastosowanie gazu ziemnego i biogazu do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła.
Obowiązujące w Unii Europejskiej nowe zasady polityki energetyczno-klimatycznej zobowiązują nasz kraj do osiągnięcia w 2020 r. 14% udziału energii odnawialnej w ogólnym bilansie energetycznym. Polska zobowiązała się w latach 2008–2012 także do redukcji gazów cieplarnianych (CO2, NOx) do wartości 94% wielkości emisji z 1988 r.
Kogeneracja pozwala na osiągnięcie najwyższej efektywności wytwarzania energii elektrycznej i ciepła przy relatywnie najniższym zanieczyszczeniu środowiska. Zmniejszona jest znacznie emisja CO2 i tlenków azotu nawet w porównaniu z kotłami na gaz ziemny. Dzięki produkcji ciepła i prądu elektrycznego na potrzeby lokalne ograniczone zostają w znacznym stopniu koszty związane z transformacją i przesyłem.
Dyrektywa 2004/8/UE Parlamentu Europejskiego i Rady z 11 lutego 2004 r. promuje stosowanie kogeneracji na wewnętrznym rynku energii. Kogeneracja została uznana za jeden najbardziej efektywnych procesów pozwalających na oszczędzanie energii pierwotnej i ograniczenie emisji CO2.
Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej uruchomił fundusz preferencyjnych kredytów na ten cel. W ramach unijnych funduszy w Programie Operacyjnym Infrastruktura i Środowisko występuje tzw. oś priorytetowa IX wspierająca rozbudowę infrastruktury energetycznej przyjaznej środowisku.
W Polsce obowiązuje system premiowania produkcji energii w kogeneracji ze szczególnym wyróżnieniem odnawialnych źródeł energii (OZE). Najbardziej ekonomiczne są kolejno: elektrownie wiatrowe, elektrociepłownie zasilane biomasą, elektrociepłownie zasilane biogazem, kotłownie kondensacyjne i technologie solarne.
Biogazownie wytwarzają gaz z odpadów organicznych występujących na obszarach wiejskich i w procesie oczyszczania ścieków.
Agregaty kogeneracyjne zasilane przez biogazownie wyposażone są w silniki spalinowe tłokowe sprzężone z generatorami synchronicznymi prądu elektrycznego. W układzie technologicznym wbudowany jest szereg wymienników ciepła, specjalistyczna armatura oraz mikroprocesorowy układ kontroli i regulacji. Agregaty charakteryzują się wysoką sprawnością całkowitą dochodzącą do 87%, przy sprawności wytwarzania energii elektrycznej w granicach 32–37%.
Warto zwrócić uwagę, że oddzielna produkcja energii elektrycznej i ciepła powoduje 47 proc. straty energii pierwotnej zawartej w paliwie.
Koncern energetyczny Energa zamierza wybudować do 2015 r. kilkadziesiąt biogazowni o łącznej mocy 100 MW.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 30 maja 2003 r. nakłada na przedsiębiorstwa energetyczne obowiązki zakupu energii elektrycznej i ciepła wytwarzanych w skojarzeniu ze źródeł rozproszonych.
Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne była wielokrotnie nowelizowana. Ostatnia nowelizacja z 2005 r. to ustawa z dnia 4 marca 2005 r. o zmianie ustawy – Prawo energetyczne (Dz.U. Nr 62, poz. 522). Uwzględniono w niej zalecenia siedmiu dyrektyw Wspólnoty Europejskiej dotyczących szeroko rozumianej energetyki, w tym gazowej.
Przedsiębiorstwa energetyczne wytwarzające energię elektryczną i ciepło w skojarzeniu muszą otrzymać specjalną koncesję wydawaną przez Urząd Regulacji Energetyki i mają prawo:
– wnioskować o wydanie świadectw pochodzenia energii z kogeneracji, co jest podstawą otrzymania tzw. żółtych certyfikatów,
– żądać odbioru wyprodukowanej energii,
– korzystać z prawa pierwszeństwa w przesyłaniu i dystrybucji energii.
Żółte certyfikaty są dodatkową premią dla wytwórcy za wytwarzanie energii w wysokosprawnym źródle, zielone certyfikaty – za wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych. Certyfikaty podlegają obrotowi na Towarowej Giełdzie Energii.
Dostarczaniem agregatów kogeneracyjnych zajmują się wyspecjalizowane firmy: Viessmann, Centrum Energetyki Stosowanej, Tedom, Wolf, Nor-blin, Motorgas, Topsel i inne. W oferowanych zespołach mogą być zainstalowane silniki gazowe firm: PZL-Wola-Warszawa, Deutz, MAN, Skoda, LIAZ, TEDOM, Caterpilar, H.C. Cegielski, Waukesha i innych. Generatorów wytwarzających energię elektryczną wraz z systemem automatycznej synchronizacji z siecią dostarczają firmy: Leroy Somer, Stamford i Siemens, a automatykę – Kuhse.
Energia cieplna pozyskiwana jest z: układu chłodzenia wodnego silnika spalinowego, oleju smarnego silnika, chłodzenia mieszanki gazowo-powietrznej i chłodzenia spalin wylotowych. Możliwa jest również zamiana obiegu grzewczego na obieg ziębiąco-grzejny wykorzystywany w okresie letnim w agregatach klimatyzacyjnych.
Rys. 1. Instalacja solarna współpracująca z kotłem gazowym, wg firmy De Dietrich: 1 – zawór bezpieczeństwa (3 bary), 2 – pompa c.o., 3 – zawór zwrotny, 4 – naczynie wzbiorcze, 5 – napełnianie obiegu c.o., 6 – zespół pompowy obiegu solarnego, 7 – odpowietrznik automatyczny, 8 – pompa cyrkulacyjna ciepłej wody użytkowej, 9 – grupa bezpieczeństwa (6 barów), 10 – przewody cyrkulacyjne nośnika ciepła w instalacji solarnej, 11 – trójnik do podłączenia tulei zanurzeniowej i odpowietrznika ręcznego
Kotły gazowe kondensacyjne przepływowe
Kotły kondensacyjne dzięki specjalnej konstrukcji umożliwiają pełne wykorzystanie energii cieplnej zawartej w spalinach. Są to kotły z zamkniętą komorą spalania i wbudowanym wentylatorem zmiennoobrotowym (zasysanie powietrza i odprowadzanie spalin). Zapłon mieszaniny gazu i powietrza następuje za pośrednictwem żarowej elektrody zapłonowej. Palnik modulowany w zależności od aktualnego zapotrzebowania mocy grzewczej zmniejsza bezstopniowo moc paleniska.
W kotłach kondensacyjnych następuje głębokie schładzanie spalin w obrębie kotła, dzięki czemu para wodna ulega skropleniu, przekazując jednocześnie wodzie kotłowej dodatkową ilość ciepła. Nowoczesne kotły kondensacyjne schładzają spaliny poniżej temperatury 40OC, co umożliwia uzyskanie dodatkowej ilości ciepła w zakresie 4–10%.
Chłodzenie spalin następuje za pośrednictwem wody powrotnej z instalacji c.o. i c.w.
Dzięki wysokosprawnym wymiennikom cząsteczki spalin stykają się z powierzchniami grzewczymi o temperaturze powrotu poniżej punktu rosy pary wodnej. Temperatura spalin powinna być większa o 10OC od temperatury powrotu wody z instalacji.
Wymienniki ciepła wykonywane są z materiałów o dużej odporności na działanie kwaśnych skroplin. W zależności od producenta może to być stal chromowo-niklowo-molibdenowa lub stop alu-krzemu.
W praktyce kocioł kondensacyjny zasilający instalację o parametrach 40/30OC przy zasilaniu ogrzewania podłogowego osiąga sprawność średnioroczną do 109% w stosunku do wartości opałowej spalanego gazu. Dla instalacji grzejnikowych o parametrach 75/60OC sprawność średnioroczna dochodzi do 106%.
Podstawowym kryterium jakości kotła jest możliwość płynnego dopasowania w szerokim zakresie wydajności cieplnej do chwilowego zapotrzebowania na ciepło. Cykle pracy palnika modulowanego powinny być w miarę długie, a niewielka ilość włączeń ograniczać do minimum straty dyżurne ciepła i emisje substancji szkodliwych. Wymagania te spełnia palnik wentylatorowy zmiennoobrotowy, wykonany ze stali nierdzewnej, z całkowitym wstępnym zmieszaniem gazu z powietrzem, z zapłonem elektronicznym, z jonizacyjną kontrolą płomienia, modulowany w zakresie mocy cieplnej 25 do 100%, sterowany mikroprocesorowo.
Rys. 2. Przykład instalacji solarno-kotłowej współpracującej z systemem wentylacji budynku – z odzyskiem ciepła, wg firmy Viessmann: 1– pojemnościowy podgrzewacz c.w.u., 2 – kocioł gazowy z zamkniętą komorą spalania, 3 – centralne ogrzewanie pomieszczeń, 4 – odprowadzenie powietrza zużytego, 5 – nawiew czystego powietrza, 6 – rekuperator z wbudowanymi wentylatorami, filtrem i wymiennikiem ciepła, 7 – powietrze usuwane, 8 – powietrze zewnętrzne, 9 – kolektor słoneczny
Instalacje solarne
W naszych szerokościach geograficznych suma słonecznego promieniowania bezpośredniego i rozproszonego wynosi maksymalnie do 1 kW/m2 kolektora słonecznego. Dotyczy to warunków optymalnych występujących w południe przy bezchmurnym niebie. W zależności od rodzaju kolektora można wykorzystać od 70 do 75% tej energii do podgrzania ciepłej wody użytkowej. Z 8760 godzin w roku można wykorzystać od 1400 do 1900 godzin nasłonecznienia.
Dla zapewnienia dostawy ciepłej wody w ciągu całego roku kolektory słoneczne włącza się w układ instalacji kotłowej dwufunkcyjnej (c.o. i c.w.). Prawidłowo obliczone i dobrze skonstruowane instalacje solarne pozwalają na zaoszczędzenie do 60% rocznego zapotrzebowania na energię cieplną do podgrzewania c.w.u. w domach typu willowego, a w przypadku wspomagania centralnego ogrzewania do 30%.
Korzystanie z energii słońca przyczynia się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery i tym samym do ochrony środowiska naturalnego.
Wzrost kosztów inwestycyjnych zainstalowania kotła kondensacyjnego z systemem solarnym kompensowany jest w ciągu kilku lat mniejszym zużyciem gazu, a co za tym idzie kosztów eksploatacji systemu centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody.
W niektórych gminach/powiatach funkcjonuje system dofinansowania inwestycji solarnych z funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (procedura WS-6).
Przedstawiona na rys. 1 instalacja składa się z kolektorów słonecznych, kotła gazowego kondensacyjnego, podgrzewacza pojemnościowego biwalentnego (wyposażonego w dwie wężownice), modułów pompowych 2, 6, 8, modułu regulacyjnego i wyposażenia do montażu kolektorów. Jako osprzęt dodatkowy dostarczana jest termostatyczna armatura mieszająca, ograniczająca temperaturę ciepłej wody użytkowej.
W zasobniku biwalentnym wężownica dolna służy do podgrzewania c.w.u. dzięki cyrkulacji nośnika ciepła tłoczonego przez pompę 6 do kolektora słonecznego. Moduł regulacyjny mierzy temperaturę na wyjściu z kolektorów słonecznych i w dolnej części zasobnika. Przy wzroście temperatury w kolektorze powyżej nastawionej wartości, zwykle od 5 do 8OC w stosunku do temperatury w dolnej części zasobnika, zostaje uruchomiona pompa 6 i płyn solarny oddaje ciepło wodzie w zasobniku.
W podgrzewaczu biwalentnym wężownica górna zasilana jest z kotła gazowego. Czujnik temperatury wody użytkowej za pośrednictwem regulatora steruje włączaniem i wyłączaniem pompy obiegowej 2. Jeżeli temperatura wody w górnej części zasobnika odpowiada temperaturze nastawionej przez użytkownika, kocioł gazowy się nie włącza. Dzięki temu cała objętość wody w zasobniku jest podgrzewana przez kolektor słoneczny.
Zimą i latem w pochmurne i deszczowe dni, gdy temperatura c.w.u. jest za niska, kocioł dogrzewa ją do wymaganej temperatury.
Podgrzewacz solarny biwalentny Dietrisol S 300-2P umożliwia wspomaganie energią słoneczną tradycyjnego zasilania budynku w energię cieplną pozyskiwaną z gazu ziemnego spalanego w kotle, współpracuje z systemami kolektorów słonecznych – płaskich lub rurowych – i charakteryzuje się następującymi parametrami:
– pojemność zbiornika w strefie dogrzewanej 100 l, w strefie solarnej 200 l,
– powierzchnia wężownicy: dolnej 1,2 m2, górnej 0,75 m2,
– pojemność wężownicy: dolnej 8 l, górnej 5 l,
– temperatura zasilania wężownicy: dolnej 50OC, górnej 80OC.
Potrzebną powierzchnię kolektorów słonecznych można określić w sposób przybliżony w odniesieniu do liczby mieszkańców korzystających z ciepłej wody.
W budynkach jednorodzinnych zużycie ciepłej wody użytkowej (temp. 45OC) w przeliczeniu na jednego użytkownika na dobę wynosi:
– przy zapotrzebowaniu wysokim 60–100 l,
– przy zapotrzebowaniu średnim 30–60 l,
– przy zapotrzebowaniu niskim do 30 l.
Instalacje kotłowe współpracujące z systemami kolektorów słonecznych
Instalacje te charakteryzują się wysokim stopniem zaawansowania technologicznego. Dlatego zarówno projekt, jak i wykonawstwo najlepiej powierzyć wyspecjalizowanej firmie instalacyjnej oferującej wyroby renomowanych firm.
Efektywność pracy urządzeń zależy w znacznym stopniu od terminowego przeprowadzania czynności konserwacyjnych i przestrzegania postanowień instrukcji obsługi. Pierwszy przegląd instalacji powinien być przeprowadzony bezpłatnie przez firmę instalacyjną po upływie 6 miesięcy eksploatacji.
Następne przeglądy przeprowadza się regularnie co 2–3 lata. W pierwszej kolejności bada się odporność cieczy solarnej na zamarzanie, stan kolektorów słonecznych, elementów montażowych oraz połączeń. Następnie kontroluje się działanie czujników pomiarowych, układów regulacji automatycznej, pomp obiegowych i naczynia wzbiorczego. Wyniki pomiarów porównuje się z danymi tabelarycznymi producentów urządzeń i umieszcza w protokole przeglądu konserwacyjnego.
Instalacja solarna – dwusystemowa do podgrzewania ciepłej wody użytkowej
Instalacja składa się z kolektorów słonecznych, kotła gazowego kondensacyjnego, podgrzewacza pojemnościowego biwalentnego (wyposażonego w dwie wężownice), modułów pompowych, modułu regulacyjnego i wyposażenia do montażu kolektorów. Jako osprzęt dodatkowy dostarczana jest termostatyczna armatura mieszająca, ograniczająca temperaturę ciepłej wody użytkowej.
W zasobniku biwalentnym wężownica dolna służy do podgrzewania c.w.u. dzięki cyrkulacji nośnika ciepła tłoczonego przez pompę do kolektora słonecznego. Moduł regulacyjny mierzy temperaturę na wyjściu z kolektorów słonecznych i w dolnej części zasobnika. Przy wzroście temperatury w kolektorze powyżej nastawionej wartości, zwykle od 5 do 8OC w stosunku do temperatury w dolnej części zasobnika, zostaje uruchomiona pompa i płyn solarny oddaje ciepło wodzie w zasobniku.
W podgrzewaczu biwalentnym wężownica górna zasilana jest z kotła gazowego. Czujnik temperatury wody użytkowej za pośrednictwem regulatora steruje włączaniem i wyłączaniem pompy obiegowej. Jeżeli temperatura wody w górnej części zasobnika odpowiada temperaturze nastawionej przez użytkownika, kocioł gazowy się nie włącza. Dzięki temu cała objętość wody w zasobniku jest podgrzewana przez kolektor słoneczny. Zimą i latem w pochmurne i deszczowe dni, gdy temperatura c.w.u. jest za niska, kocioł dogrzewa ją do wymaganej temperatury.
Modernizacja istniejącej instalacji kotłowej c.o. i c.w.u. z zastosowaniem instalacji solarnej
Modernizacja polega na zastosowaniu dodatkowego solarnego podgrzewacza zasobnikowego połączonego szeregowo z istniejącym podgrzewaczem zasobnikowym kotła gazowego. Ciepła woda użytkowa podgrzewana jest kolejno przez wężownice zainstalowane w zasobnikach. Instalacja sterowana jest za pośrednictwem modułu regulacyjnego oddziałującego na grupy pompowe i mieszacz, stosownie do sygnałów przesyłanych przez czujniki temperatury. Kolektory słoneczne zasilają zasobnik solarny, z którego podgrzana woda zasila podgrzewacz zasobnikowy. W okresie zimowym istnieje możliwość odcięcia zasobnika solarnego, a instalacja c.w.u. i c.o. zasilana jest wyłącznie z zasobnika kotłowego.
Przykład współpracy kotła gazowego c.o. i c.w.u. z instalacją solarną do ogrzewania c.w.u. i wody basenowej
Instalacja solarna jako niskoparametrowa doskonale nadaje się do podgrzewania basenów kąpielowych zarówno krytych, jak i otwartych. Ogrzewanie wody w basenie odbywa się za pośrednictwem wymiennika ciepła. Kolektory słoneczne podgrzewają w pierwszej kolejności ciepłą wodę użytkową, a następnie za pośrednictwem wymiennika przepływowego ogrzewają wodę w basenie kąpielowym. Najczęściej stosowane są wymienniki płaszczowo-rurowe basenowe, typu Jad. Kocioł gazowy służy do uzupełniania potrzeb cieplnych w okresie obniżonej wydajności kolektorów słonecznych.
Pakiety solarne
Pakiety solarne oferowane są w Polsce przez wiele firm – głównie producentów kotłów kondensacyjnych gazowych. Oferta obejmuje najczęściej występujące konfiguracje instalacyjne i skierowana jest do użytkowników gazu w budynkach jednorodzinnych. Dzięki temu eliminuje się niebezpieczeństwo wynikające z niewłaściwego doboru elementów instalacji.
Najbardziej proekologiczne są pakiety solarno-kondensacyjne jako kompletne zestawy, w których skład wchodzą:
– instalacje kotłowe kondensacyjne jako podstawowe źródło energii wykorzystujące dodatkowo ciepło kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach,
– instalacje solarne wspomagające podgrzewanie ciepłej wody użytkowej i ewentualnie instalacji centralnego ogrzewania z wykorzystaniem energii słonecznej.
Pakiety te przeznaczone są dla odbiorców indywidualnych w nowych budynkach mieszkalnych.
Instalacja solarno-kotłowa współpracująca z systemem wentylacji mechanicznej budynku z odzyskiem ciepła
System wentylacji mechanicznej budynku z odzyskiem ciepła (rys. 2) umożliwia zrezygnowanie w okresie grzewczym z wentylacji grawitacyjnej okiennej. Budynki energooszczędne wyposażone w dobrą izolację cieplną i szczelne okna charakteryzują się niskimi stratami ciepła. Dlatego decydującym czynnikiem wpływającym na oszczędność energii jest zapotrzebowanie ciepła wentylacyjnego.
Pomieszczenia kuchenne, łazienki, WC i pomieszczenia gospodarcze są obszarami powietrza zużytego, natomiast pomieszczenia mieszkalne i sypialne są obszarami powietrza doprowadzanego. Na przykład system Vitovent 300 firmy Viessmann umożliwia w sezonie grzewczym odzysk ciepła wynoszący ok. 20 kW/m2 powierzchni ogrzewanej w ciągu roku, a po odjęciu ilości energii zużytej przez wentylatory powietrza doprowadzanego i zużytego zaoszczędzenie odpowiednio ok. 15 kW/m2. Ciepłe powietrze usuwane z pomieszczeń kierowane jest do rekuperatora, w którym następuje podgrzanie przefiltrowanego zimnego powietrza z zewnątrz. W okresie letnim w zależności od temperatury zewnętrznej i temperatury w pomieszczeniu chłodne powietrze nocne prowadzone jest obok krzyżowego przeciwprądowego wymiennika ciepła, dzięki czemu nie odbiera ciepła zawartego w usuwanym powietrzu. Klapa obejściowa sterowana jest automatycznie za pośrednictwem czujników temperatury. W skład wyposażenia systemu wchodzi także kaseta letnia bez odzysku ciepła. System Vitovent 300 wyposażony jest w dwa wentylatory o wydajności 300 m3/h, napędzane oszczędnymi silnikami prądu stałego, i może być stosowany budynkach o powierzchni użytkowej do 130 m2. Dzięki stałej wentylacji możliwe jest obniżenie stężenia CO2 w pomieszczeniach mieszkalnych poniżej 0,1% objętości. Rozdział powietrza w budynku realizowany jest za pośrednictwem elastycznych płaskich kanałów, złączek i skrzynek rozdzielczych.
W skład standardowego systemu (rys. 2) wchodzą: 1 urządzenie nawiewno-wywiewne, 4 wywiewniki DN 100 do WC, łazienki i przeznaczonych do pracy, 2 tłumiki o wymiarach systemowych 150, 3 nawiewniki DN 100 do montażu w stropie, 1 wywiewnik kuchenny DN 100, 1 przepust dachowy powietrza wylotowego, 1 kratka zasysająca powietrze z zewnątrz, 2 rury elastyczne DN 160 zaizolowane termicznie, 2 elementy przejściowe z okrągłych na płaskie, 2 skrzynki rozdzielcze powietrza, 5 elementów kierujących, 3 wypusty podłogi, 60 m kanału płaskiego wraz z rolką taśmy termokurczliwej.
inż. Konrad Bąkowski
Literatura
1. K. Bąkowski, Sieci i instalacje gazowe. Poradnik, wyd. 3, WNT, Warszawa 2009.
2. Buderus Kurier, Parametry kolektorów słonecznych, nr 29, grudzień 2009.
3. De Dietrich, Technika grzewcza, Zestawy solarne, www.deditrich.com.pl.
4. Viessmann Group, Ogrzewanie energią słoneczną (mat. inf.), także www.viessmann.pl.
5. Wolf, Technika grzewcza, Technika solarna, także www.wolf-polska.pl.
6. Sunergy, Kolektory słoneczne, www.sunergy.pl/energia-sloneczna.
7. Viessmann Group, Vitovent 300. System wentylacji budynku z odzyskiem ciepła (mat. inf.).
8. Solar LTD, Instalacja solarna dla basenu kąpielowego, www.solargdynia.com.pl.
9. Junkers, Technika solarna, serwis internetowy o systemach solarnych, www.solar.junkers-enegieodnawialne.pl.
10. Ulrich, Hybrydowe systemy ogrzewania, www.ulrich.com.pl.
