Kogeneracja, czyli jak działa wspólne wytwarzanie ciepła i prądu?

Od lat zapotrzebowanie na energię cieplną pokrywane jest przy wykorzystaniu konwencjonalnych rozwiązań grzewczych, tj. kotły na paliwo stałe, pompy ciepła, kotły gazowe kondensacyjne itd. Natomiast zaopatrzenie w energię elektryczną nadal jest domeną zarezerwowaną wyłącznie dla zakładów energetycznych. Mikrogeneracje oparte na systemach fotowoltaicznych są obiecującym rozwiązaniem, jednak nie podwyższają bezpieczeństwa energetycznego budynku. Dlatego w przyszłości dobrym rozwiązaniem będzie zastosowanie kogeneracji, czyli skojarzonej j produkcji energii cieplnej i elektrycznej.

Czym jest kogeneracja?

Wraz ze wzrostem kosztów ogrzewania i energii elektrycznej oraz zaostrzaniem wymagań prawnych, na rynku wdrażane są systemy energooszczędne i przyjazne środowisku. Jedną z możliwości ograniczenia kosztów oraz spełnienia wymagań przepisów jest wykorzystanie kogeneracji, określanej potocznie skrótem CHP (ang, Combined Heat and Power). Kogeneracja polega na wspólnym wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej, czyli w jednym procesie technologicznym.

Patrząc na to w szerokiej perspektywie, kogeneracja zaliczana jest do najbardziej ekologicznych, a zarazem ekonomicznie uzasadnionych technologii produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Energia elektryczna i cieplna powstaje w miejscu swojego wykorzystania, dlatego jej koszt pomniejszony jest o straty wynikające z konieczności przesyłania na znaczne odległości.

Rys 1. Grafika obrazująca straty energii w kogeneracji oraz w energetyce rozproszonej

Zasada działania kogeneracji

W takim rozwiązaniu energia pierwotna w postaci gazu ziemnego, oleju napędowego, biomasy lub innych źródeł odnawialnych oraz konwencjonalnych, jest przetwarzana na ciepło i energię elektryczną. W układzie kogeneracyjnym energia elektryczna powstaje analogicznie jak w innych elektrowniach – poprzez wprowadzenie w ruch obrotowy wirnika generatora prądu, w tym przypadku przy pomocy silnika tłokowego spalającego.

Energia cieplna która powstaje jako ciepło odpadowe, wykorzystywana jest do ogrzewania budynków, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz zasilania instalacji technologicznych. Warto również wspomnieć, że nadwyżki niewykorzystanej energii elektrycznej powstającej w układzie kogeneracyjnym możemy odprowadzać do sieci energetycznej, na zasadach tzw. upustu.

Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej ma wiele zalet ekonomicznych i ekologicznych tj. wysoki stopień wykorzystania energii pierwotnej, niezależność od przedsiębiorstw energetycznych, brak strat przesyłowych, brak konieczności rozbudowywania sieci ciepłowniczej, prostota prowadzenia procesu spalania, brak odpadów stałych czy obniżona emisja szkodliwych substancji do otoczenia itd.

Układ kogeneracyjny możemy rozbudować o absorpcyjny agregat chłodniczy, otrzymując dzięki temu układ trójgeneracyjny. Dzięki któremu możemy produkować energię chłodniczą potrzebną szczególnie w okresie letnim.

Szacuje się, że energia wyprodukowana w module kogeneracyjnym jest około 30 proc. tańsza od ciepła wyprodukowanego w kotle grzewczym i energii elektrycznej zakupionej u dostawcy – co ma duże znaczenie eksploatacje w przypadku dużych inwestycji projektowych.

Kogeneracja w budownictwie mieszkalnym

W sektorze mieszkaniowym możemy mówić o mikrokogeneracji, która może zmniejszyć koszty eksploatacji budynków i jednocześnie obniżyć emisję zanieczyszczeń do środowiska. Jednostki mikrokogeneracyjne to urządzenia o małej mocy tj. do 50 kW – będące realną alternatywą dla oddzielnej produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Zaletą takich jednostek są niewielkie wymiary oraz możliwość pokrycia potrzeb cieplnych z tytułu ogrzewania budynku, przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz zapotrzebowania na energię elektryczną – wszystko to w tym samym czasie.

Zwróćmy jednak uwagę, że mówimy tutaj o budownictwie wielorodzinnym, gdzie występuje wysokie oraz stabilne zapotrzebowanie na energię elektryczną o stałych porach, np. w szczycie porannym i wieczornym. W takim rozwiązaniu możliwie jest est efektywne wykorzystanie czasu pracy układu i uzyskanie szybkiego zwrotu nakładów inwestycyjnych z tytułu wdrożenie kogeneracji.

Zdj. 1. Przykład zastosowania agregatu kogeneracyjnego na gaz ziemny w budynku mieszkalnym

Zalety kogeneracji w obiektach hotelarskich

Zastosowanie kogeneracji w budownictwie hotelarskim również może być ekonomicznie uzasadnione, te z kolei buduje się w lokalizacjach atrakcyjnych turystycznie. Często takie miejsca są oddalone od infrastruktury instalacyjnej, tj. sieć ciepłownicza, sieć gazowa etc.

Ze względu na charakter usług, potrzebują także awaryjnego źródła zasilania, na wypadek gdyby np. ze względów pogodowych nastąpiło spięcie i odcięcie obiektu od prądu. W takim rozwiązaniu zastosowanie kogeneracji podnosi bezpieczeństwo energetyczne obiektu hotelowego, pozwala ona zastąpić agregat prądotwórczy i zasilić najważniejsze odbiorniki energii elektrycznej takie jak np. awaryjna instalacja oświetleniowa itd.

Zdj 2. Przykład wykorzystania agregatu kogeneracyjnego w budynku usług hotelarskich

Podsumowanie

Kogeneracja, polega na wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej w najbardziej efektywny sposób, czyli w jednym procesie technologicznym, tzw. skojarzeniu. W takim uradzeniu, energia mechaniczna dzięki sprzężonej z silnikiem prądnicy synchronicznej, przekształcana jest w energię elektryczną. Powstające w silniku ciepło odpadowe z kolei odprowadzane przez wymiennik płytowy i udostępniane jako energia użytkowa. Możemy ją wykorzystać do ogrzewania budynku, przygotowania ciepłej wody użytkowej l zasilania instalacji ciepła technologicznego.

Takie rozwiązania zdają egzamin wszędzie tam, gdzie występuje duże zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną. Przykładami są duże budynki biurowe, hotele, budynki użyteczności publicznej czy budynki mieszkalne wielorodzinne.

Jeśli obiekty wymagają klimatyzacji, wówczas taki układ możemy rozbudować do trójgeneracji. Może on wykorzystywać urządzenia chłodnicze absorpcyjne lub adsorpcyjne, które łatwo napędzać ciepłem wody lub pary. Skojarzone wytwarzanie energii powoduje zmniejszenie zużycia paliwa do 30 proc. w porównaniu z  rozdzielnym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła.


Powołania:

Zdj. główne: www.stock.adobe.com

Rys. 1. www.mwm.net

Zdj. 1. www.maier-wasser-waerme.de

Zdj. 2. www.borgmann-haustechnik.de

Napisz komentarz
0

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *