Trigeneracja

W poprzedniej zakładce przedstawione było zastosowanie wysokosprawnej kogeneracji
gazowej w zakresie pokrycia zapotrzebowania przedsiębiorstwa na energię elektryczną. Ponieważ kogeneracja jest równoczesnym (skojarzonym) wytwarzanie prądu i ciepła, więcnkluczowym problemem jest racjonalne zagospodarowanie ciepła.

Kluczowym problemem jest racjonalne zagospodarowanie ciepła. Problem zagospodarowania ciepła występuje szczególnie często przy budowie biogazowni rolniczych. Korzystając z poprzedniego przykładu, moc elektryczna CHP wynosiła 999 kW, moc cieplna 1.069 kW. Proces technologiczny w biogazowni wymaga minimalnych ilości ciepła, więc zagospodarowanie ponad megawata ciepła stanowi duże wyzwanie. W wielu przypadkach przy braku zapotrzebowania na ciepło inwestycja staje się nieopłacalna. Trochę więcej możliwości mamy w przedsiębiorstwach produkcyjnych. 

Jednak zacznijmy od początku. Podstawą analizy jest bilans ciepła przedsiębiorstwa z uwzględnieniem ciepła z CHP. Poniższy wykres przedstawia bilans ciepła w ujęciu rocznym.

Wykres jest podzielony na trzy strefy:

• pierwsza strefa to ciepło zużyte w roku bazowym – 8.016,82 MWh/rok;
• w drugiej strefie mamy źródła ciepła: CHP oraz źródło szczytowe – 10.057,74 MWh/rok
• trzecia strefa to racjonalne wykorzystanie ciepła z CHP, ciepło ze źródła szczytowego i pojawia się nadwyżka ciepła – 2.040,92 MWh/rok.

Nadwyżka ciepła mogłaby być większa gdybyśmy mieli do wykorzystania dodatkowe ciepło odzyskane z procesu technologicznego lub np. ze sprężarek. Jeśli dla przykładu wejściowa moc elektryczna sprężarek wynosi 300 kW, to moc cieplna wody na wyjściu wymiennika o parametrach 90/70 oC wynosi około 230,85 kW, co stanowi 77% elektrycznej mocy wejściowej.

Tak samo jak w przypadku bilansu energii elektrycznej bardziej interesuje nas bilans ciepła w ujęciu miesięcznym.

Sytuacja, w której nadwyżki ciepła występują w okresie letnim jest dla nas bardzo korzystna. Zawsze w takiej sytuacji możemy zastosować agregat absorpcyjny (ABS), który zamieni nam nadwyżki ciepła na wodę lodową do technologii lub klimatyzacji. W naszym przykładzie nadwyżki ciepła do zagospodarowania występują w miesiącach letnich od maja do września włącznie.

Nie jestem dystrybutorem żadnego producenta jednak przy analizach trzeba wybrać urządzenia, które są najkorzystniejsze dla inwestora. Przy mocach elektrycznych kogeneracji w zakresie do 1 MW oraz relatywnie małych nadwyżkach ciepła wykorzystuję zwykle niezawodne chłodziarki absorpcyjne firmy YAZAKI. Połączenie kogeneracji z absorpcją daje nam trigenerację. W dalszej części opracowania wykorzystane zostały materiały techniczne autorstwa Paolo Colaiemma z firmy Maya S.p.A. 

Przykładowy opis zastosowania absorpcji dotyczy współpracy z agregatami kogeneracyjnymi o mocy elektrycznej do 1 MW. Oczywiście zawsze można łączyć chłodziarki absorpcyjne w kaskady. Do zasilania chłodziarek absorpcyjnych można używać gorącej wody o stosunkowo niskich wartościach temperatury, pomiędzy 70°C a 95°C. Produkują one schłodzoną wodę o temperaturze wyjściowej 7°C, ze sprawnością konwersji 70%. 

Koncepcja CHP i CCHP

Żeby lepiej zrozumieć kwestie bilansowania energii cieplnej posłużymy się kilkoma przykładami. Na początek agregaty prądotwórcze, które wykorzystywane są jako awaryjne, zapasowe źródło zasilania elektrycznego. W takich sytuacjach nie przywiązuje się dużej wagi do wydajność systemu – zależy nam na niezawodnym zasilaniu.  

Jeśli przyjmiemy 100% energii wejściowej (w postaci paliwa) do agregatu prądotwórczego to energia elektryczna stanowi 32% i jest to równocześnie energia wyjściowa. Aż 68% energii wejściowej stanowi rozproszona energia cieplna – jest to ewidentna strata.

Spalinowy agregat prądotwórczy dysponuje wieloma źródłami energii cieplnej, która w normalnych warunkach eksploatacyjnych jest rozpraszana. Na kolejnym rysunku pokazane są źródła ciepła, które można wykorzystać tworząc tym samym agregat kogeneracyjny (CHP).

Poniżej pokazany jest uproszczony bilans energii w agregacie kogeneracyjnym. Zamiast wykorzystywać paliwo tylko do produkcji energii elektrycznej przy sprawności 32%, odzysk i wykorzystanie ciepła powoduje wzrost sprawności o 54% do wartości 86%. 

Żeby uzyskać taki poziom sprawności urządzenia niezbędne jest zapewnienie ciągłego zagospodarowania ciepła z silnika. Gdyby wymagana była tylko część tego ciepła, ogólna wydajność CHP zostałaby obniżona – co pokazuje kolejny wykres. Sprawność systemu maleje ze spadkiem wykorzystania dostępnego ciepła.

Krytycznym czynnikiem dla systemu kogeneracji jest połączenie zapotrzebowania na energię elektryczną i ciepło.  Aby uzyska opłacalność systemu należy wykorzystać nadwyżki ciepła w chłodziarce absorpcyjnej. W tym przypadku należy mówić nie o kogeneracji, ale już o trigeneracji (CCHP = skojarzone ciepło, chłód i energia elektryczna).

Agregaty absorpcyjne dostępne obecnie na rynku wykorzystują jako czynnik roboczy wodny roztwór bromku litu. Mają one charakterystyczny współczynnik COP (współczynnik wydajności) wynoszący 0,7. Działają jako pojedynczy cykl absorpcyjny, wytwarzając schłodzoną wodę o temperaturze 7°C, gdy są zasilane gorącą wodą o temperaturze około 90°C. 

Przyjmując taką wartość COP i zakładając na przykład, że całe ciepło odzyskane z silnika jest wykorzystywane w chłodziarce absorpcyjnej uzyskamy ogólną wydajność systemu, która będzie na poziomie 70%. 

Wykorzystanie odzyskiwanego ciepła do chłodzenia wraz z ogrzewaniem i produkcją ciepłej wody użytkowej znacznie poprawia ekonomikę systemu.  Kolejny wykres ilustruje, jak wydajność systemu wzrasta, jeśli część ciepła niewykorzystanego do ogrzewania i produkcji ciepłej wody użytkowej jest wykorzystywana do zapewnienia chłodzenia.

W praktyce nie jest możliwe, aby całe ciepło odzyskane z silnika kogeneracyjnego mogło zostać całkowicie wykorzystane. Omawiane agregaty absorpcyjne to urządzenia o niższej wydajności, wykorzystujące wodę i roztwór bromku litu jako płyn roboczy oraz gorącą wodę jako siłę napędową. Ta grupa urządzeń została zaprojektowana do wykorzystywania ciepła o niskiej temperaturze i znajdują zastosowanie zazwyczaj w procesach przemysłowych i w systemach kogeneracyjnych o małej wydajności. Cykl absorpcji wymaga tu gorącej wody w zakresie temperatur od 70°C do 95°C. Wytworzona schłodzona woda opuszcza parownik w temperaturze 7°C.  

Temperatura wody chłodzącej w żadnym wypadku nie może być niższa niż 24°C, jeśli ma być uniknięta krystalizacja roztworu roboczego. Temperatura medium grzewczego w przyjętych urządzeniach nie może przekraczać 95°C ze względów bezpieczeństwa pracy. Najwyższa temperatura projektowa urządzeń wynosi 100°C. 

Schemat układu CCHP 

Poniżej przedstawiony został schemat instalacji CCHP, która wykorzystuje silnik spalinowy i chłodziarkę absorpcyjną z 4-rurowym systemem dystrybucji. Charakterystyczną cechą instalacji są dwa obwody, z których główny obsługuje silnik/alternator, wyposażony w chłodnicę powietrzną do awaryjnego rozpraszania ciepła, podczas gdy obwód wtórny zarządza chłodziarką absorpcyjną i wieżą chłodniczą. Oba obwody są połączone wymiennikiem ciepła. Po uruchomieniu silnika aktywowana jest również pompa P5. Woda chłodząca silnik przepływa z wymiennika ciepła, przez zawór mieszający MV3 do silnika, a następnie powraca do wymiennika ciepła. 

Zawsze, gdy układ nie wymaga ciepła, a chłodziwo przekracza ustalony limit temperatury (około 90°C), zawór MV3 przekieruje jego część do awaryjnej jednostki rozpraszania ciepła. Zapewnia to, że maksymalna temperatura powrotu określona przez producenta silnika jest faktycznie przestrzegana.

Gdy dostępna temperatura ciepłej wody w wymienniku ciepła wynosi co najmniej 70°C i wymagana jest schłodzona woda, aktywowane są pompy P3, P2 i P1 obsługujące obwody hydrauliczne chłodziarki absorpcyjnej. Gorąca woda zasilająca wypływa z wymiennika ciepła przez zawory rozdzielające MV2 i MV4 do chłodziarki absorpcyjnej, a następnie wraca stamtąd do wymiennika ciepła. Schłodzona woda poprzez pompę P1 przepływa do różnych urządzeń użytkownika, takich jak jednostki przetwarzania powietrza, klimakonwektory lub inne urządzenia. 

Jeśli występuje jednoczesne zapotrzebowanie na ciepło, aktywowany jest zawór rozdzielający MV1 w celu skierowania gorącej wody pochodzącej z chłodziarki absorpcyjnej do punktu użytkownika wymagającego ciepła. W przypadkach, w których występuje jedynie zapotrzebowanie na ciepło do celów grzewczych, zawór MV4 odetnie chłodziarkę absorpcyjną od reszty obwodu. 

Zawsze, gdy silnik jest wyłączany z eksploatacji w celu konserwacji lub z innych powodów, zawór MV2 zapewni przekierowanie całego płynu przenoszącego ciepło do kotła pomocniczego, aby w każdym przypadku zaspokoić potrzeby (cieplne) odbiorników użytkownika. Ten pierwszy musi oczywiście być w stanie dostarczać gorącą wodę w projektowanych temperaturach i we właściwych ilościach. Na schemacie pokazana jest także wieżę chłodniczą typu zamkniętego.

Różne rozważania technologiczne zakładają, że instalacja trigeneracyjna została dobrze zaprojektowana do konkretnego zastosowania i że wszystkie przyjęte elementy wyposażenia są w pełni kompatybilne; w szczególności, że sprawdzono przydatność przedziałów temperatur i natężenia przepływu używanej gorącej wody dla chłodziarek absorpcyjnych.

Instalacja musi być starannie zaprojektowana, aby zapewnić znaczny odzysk dostępnego ciepła. Jest to szczególnie ważne, biorąc pod uwagę, że większość z ciepła jest wykorzystywana w chłodziarce absorpcyjnej, której dostarczanie ciepła i wydajność są z nią ściśle powiązane. Często odzysk ciepła z silnika odbywa się za pomocą wody obiegowej o natężeniach przepływu takich, że uzyskuje się zakres temperatur 20°C, z wartością zasilania 90°C i powrotem 70°C. 

Jeśli założymy, że woda w obiegu pierwotnym, czyli w obiegu silnika, jest dostępna w maksymalnej temperaturze 90°C, to teoretycznie taką samą temperaturę można znaleźć również w obiegu wtórnym, który zasila chłodziarkę absorpcyjną. Gdyby chłodziarka była w stanie wykorzystać cały zakres temperatur przewidziany dla obiegu pierwotnego, odzyskane z silnika ciepło byłoby w pełni wykorzystane. 

Należy jednak pamiętać, że chłodziarki absorpcyjne zwykle nie mogą pracować przy tak dużej różnicy temperatur (zakresie) i zachowują się znacznie gorzej, gdy pracują przy temperaturach wejściowych niższych od ich temperatur znamionowych. W praktyce oznacza to częściowe wykorzystanie pojemności cieplnej dostępnej w obiegu pierwotnym. 

Niewykorzystane ciepło można oczywiście wykorzystać gdzie indziej lub odrzucić za pośrednictwem awaryjnej chłodnicy wentylatorowej. Niemniej jednak dostępne ciepło mogło zostać uznane za w pełni konwertowalne w projekcie absorpcyjnego agregatu chłodniczego i, jak wspomniano powyżej, jeśli ciepło odzyskane z silnika nie przekracza znacznie ciepła wymaganego przez absorpcyjny agregat chłodniczy, nastąpi znaczne obniżenie wydajności chłodzenia.

Maksymalna możliwa do uzyskania wydajność jest w każdym przypadku osiągana, gdy natężenie przepływu w obiegu wtórnym jest takie samo, jak w obiegu pierwotnym. Jak wynika z powyższego opisu, agregat absorpcyjny ma zastosowanie jako samodzielne urządzenie do zamiany nadwyżek ciepła np. z technologii na chłód lub współpracując z agregatem kogeneracyjnym zamieniającym nadwyżki ciepła z CHP na wodę lodową do klimatyzacji w okresie letnim. 

To w jakim układzie ma pracować agregat absorpcyjny i czy jego zastosowanie jest opłacalne można powiedzieć dopiero po dokonaniu niezbędnych analiz. Zapraszam do współpracy.