ANALIZA EKONOMSKE UPRAVIČENOSTI OGREVANJA Z LESNO BIOMASO OB SOPROIZVODNJI TOPLOTE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE Študent(ka): Študijski program: Smer: Mitja KOŠIR Visokošolski strokovni; Strojništvo Energetika in procesno strojništvo Mentor: izr. prof. dr. Aleš HRIBERNIK Maribor, april 2010
Vložen original sklepa o potrjeni temi diplomskega dela II
I Z J A V A Podpisani Mitja Košir izjavljam, da: je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom izr. prof. dr. Aleša Hribernika; predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi; soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet Univerze v Mariboru. Maribor, 03.05.2010 Podpis: III
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Alešu Hriberniku za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij. IV
ANALIZA EKONOMSKE UPRAVIČENOSTI OGREVANJA Z LESNO BIOMASO OB SOPROIZVODNJI TOPLOTE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE Ključne besede: soproizvodnja, kogeneracija, lesna biomasa, soproizvodna postrojenja, ekonomska upravičenost, toplota. UDK: 697.7:662.6(043.2) POVZETEK V nalogi je opisana ekonomska upravičenost vlaganja v soproizvodnjo na lesno biomaso. Predstavljen je opis toplotnih potreb hotelskega kompleksa iz katerega smo izračunali toplotne in električne potrebe. Na podlagi urejenega urnega diagrama smo določili potrebno velikost soproizvodne enote in velikosti kotlov za dogrevanje na lesno biomaso in kurilno olje. Ugotovili smo, da je vlaganje v soproizvodno enoto zaradi velikih stroškov investicije zaenkrat še nerentabilno saj je po metodi sedanje vrednosti razlika komaj 221.587,40 EUR. Najboljša rešitev od vseh štirih variant, katere so predstavljene v diplomskem delu je postavitev nove kotlovnice z uporabo kotlov na lesno biomaso s katero bi bistveno zmanjšali tudi onesnaževanje okolja. V
ANALYSIS OF ECONOMIC EFFICIENCY OF COGENERATION OF HEAT AND ELECTRICITY WHEN USING BIOMASS AS A FUEL Key words: viability, heat. coproduction, cogeneration, wood biomass, cogeneration plants, economic UDK: 697.7:662.6(043.2) ABSTRACT Economic viability of the investment in cogeneration with wood biomass is described in this diploma work. Description of the termal needs of the hotel complex from which thermal and electric needs were calculated is presented. On the basis of an orderly hour chart, determination of the size of cogeneration unit and boilers heating system with wood biomass and fuel oil were determined. We have found that so far investing in cogeneration unit becouse of high costs of investment is loss-making since according to the method mean difference is of only 221.587,40 EUR. The best solution of all four variants, which are presented in the diploma work is to establish a new boiler using biomass boilers which would significantly reduce the environmental pollution. VI
KAZALO 1 UVOD... - 1-1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DIPLOMSKEGA DELA...- 1-1.1.1 Potencial lesne biomase... - 1-1.2 OPREDELITEV DELA...- 4-1.3 STRUKTURA CELOTNEGA DELA...- 6-2 SPLOŠNO O SOPROIZVODNJI... - 7-2.1 PREGLED TEHNOLOGIJ...- 9-2.1.1 Plinske turbine... - 9-2.1.2 Parne turbine... - 10-2.1.3 Dizelski in plinski motorji... - 11-2.1.4 Kombinirani plinsko parni cikel... - 12-2.1.5 Mikro plimske turbine... - 13-2.1.6 Gorivne celice... - 14-2.1.7 Trigeneracija... - 14-2.1.8 Mikro soproizvodnja... - 15-2.2 PREGLED GORIV...- 15-2.2.1 Zemeljski plin... - 15-2.2.2 Kapljevita goriva... - 15-2.2.3 Premog... - 15-2.2.4 Deponijski plin... - 15-2.2.5 Bioplin... - 16-2.2.6 Biomasa... - 16-3 SOPROIZVODNJA TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE Z IZRABO LESNE BIOMASE... - 17-3.1 ENERGIJSKA VREDNOST LESNE BIOMASE...- 17-3.2 PRIPRAVA LESNE BIOMASE...- 18-3.3 PREGLED TEHNOLOGIJ ZA IZRABO LESNE BIOMASE...- 19-3.3.1 Dizelski in plinski motorji... - 20-3.3.2 Mikro plimske turbine... - 21-3.3.3 Stirlingov motor... - 22 - VII
3.3.4 Organski Rankinov proces (ORC)... - 23-4 OPIS OBSTOJEČEGA STANJA IN PORABA ENERGENTOV ZA OGREVANJE TER PROIZVODNJO ELEKTRIČNE ENERGIJE... - 25-4.1 OPIS OBSTOJEČEGA STANJA...- 25-4.2 PREGLED PORABNIKOV...- 25-4.2.1 Površine objektov... - 25-4.2.2 Pregled instaliranih moči porabnikov in tipov ogrevanja... - 26-4.3 PREGLED PORABE TOPLOTNE ENERGIJE V RTC ROGLA...- 26-4.3.1 Urejen letni diagram potreb po toplotni moči... - 27-4.4 PREGLED PORABE ELEKTRIČNE ENERGIJE V TRAFO POSTAJI RTC ROGLA...- 30-4.4.1 Porazdelitev porabe električne energije na lokaciji RTC Rogla... - 30-5 IDEJNA ZASNOVA POSTROJA ZA PRIDOBIVANJE TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ BIOMASE... - 33-5.1 ZASNOVA POSTROJENJA...- 34-5.1.1 Uplinjevalnik... - 35-5.1.2 Zgorevalna komora... - 36-5.1.3 Stirlingov motor... - 36-5.1.4 Akumulacijske posode oziroma hranilniki toplote... - 37-5.1.5 Zalogovnik lesnih sekancev... - 37-5.2 SPECIFIČNE ZMOGLJIVOSTI KOGENERACIJSKE NAPRAVE...- 38-6 EKONOMSKI IN OKOLJSKI KAZALCI... - 39-6.1 EKONOMSKA ANALIZA...- 39-6.1.1 Ocena investicij... - 40-6.1.2 Stroški energentov... - 41-6.1.2.1 Električna energija, kvalificiran prodajalec električne energije... - 41-6.1.2.2 Cena kurilnega olja... - 42-6.1.2.3 Cena lesnih sekancev... - 42-6.1.3 Izračun obratovanja... - 43-6.1.4 Primerjava investicij in stroškov obratovanja... - 47-6.1.4.1 Izračun sedanje vrednosti investicije 1... - 48-6.1.4.2 Izračun sedanje vrednosti investicije 2... - 48-6.1.4.3 Izračun sedanje vrednosti investicije 3... - 48 - VIII
6.1.4.4 Izračun sedanje vrednosti investicije 4... - 49-6.2 OKOLJSKI KAZALCI...- 50-6.2.1 Emisije... - 52-7 SKLEP... - 53-8 VIRI IN LITERATURA... - 55-9 ŽIVLJENJEPIS.. -57 - IX
UPORABLJENI SIMBOLI Φ max Z Hi = maksimalni dnevni odjem = dnevni odjem ekstra lahkega kurilnega olja = kurilna vrednost Φ tr = urna toplotna moč Φ td = dnevna toplotna moč m leto = poraba lesnih sekancev η Co Cn R = izkoristek stroja = Investicija = letni strošek = diskontna stopnja X
1 UVOD 1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela Brez energije ni življenja, niti v najbolj osnovnem smislu ne. Če pa si zamislimo sodobno življenje, nas na vsakem koraku spremlja takšna ali drugačna oblika energije. Življenja brez energije si tako rekoč ne znamo več predstavljati. Samo predstavljamo si, kaj bi se zgodilo, če bi zmanjkalo nafte Energija je torej nekaj samoumevnega, ki nam olajšuje, mnogokrat pa tudi omogoča življenje in proizvodnjo dobrin. Vsak razvoj v človeštvu še vedno pomeni drastično povečanje potreb po energiji, kar pomeni, da svet postaja vse bolj globalen in mobilnost vse večja. Klimatske spremembe so, poleg vse večjih gospodarskih in socialnih razmer v svetu in doma, eden izmed razlogov, ki zahtevajo preobrazbo energetskega sektorja. Z vstopom Slovenije v Evropsko unijo je odločilnega pomena za življenje postalo tudi znižanje emisij toplogrednih plinov in varna oskrba z energijo. Delno rešitev lahko najdemo v izkoriščanju lesne biomase, ki je poleg vodne energije najpomembnejši obnovljivi vir energije (OVE) v Sloveniji. Povečana raba lesne biomase v modernih invidualnih, skupinskih in industrijskih kurilnih napravah za ogrevanje, procesno toploto in proizvodnjo električne energije omogoča izboljšanje zanesljivosti in konkurenčnosti oskrbe z energijo ter zmanjšanje emisij toplogrednih plinov. 1.1.1 Potencial lesne biomase Človek je že od nekdaj uporabljal biološke energetske izvore, ne samo kot hrano, ampak tudi kot gorivo. Do začetka intenzivne uporabe fosilnih goriv, so bila drva primarni in edini vir toplote. Zaradi tega je bila poraba dreves zelo velika, tako da so ponekod gozdovi popolnoma uničeni, kar je zemljo spremenilo v puščavo. Koristijo se še druge oblike biomase; na primer osušeni živalski iztrebki, stebli koruze ali slame... Biomaso lahko razdelimo na lesno (ostanki iz gozdarstva in lesne industrije, hitro rastoče drevje, odpadno drevje,...), ne lesno (biomasa dobljena z vzgojo oljnic, alg in trav) ter biomaso živalskega porekla (iztrebki in ostanki iz govedoreje). Energija se iz biomase proizvaja tudi danes, največ v deželah v razvoju. Delež biomase na svetovni ravni v svetu znaša 13,8 % (54,83 EJ), kar je prikazano na sliki 1. Od tega v razvitih deželah 2,8 % (6,92 EJ) ter v deželah v razvoju 38,1 % (48,01 EJ). Delež biomase predstavlja les, biogoriva in gospodinjske ter industrijske odpadke. [1] - 1 -
Slika 1: Svetovna primarna energetska bilanca v letu 2001 [1] Možnosti izkoriščanja biomase so velike. Poleg velikih količin biomase, ki nastajajo kot vzporedni proizvod in odpad v industriji, kmetijstvu ter drugih dejavnostih, obstaja tudi veliko število rastlinskih vrst, ki jih je mogoče vzgajati; od hitro rastočega drevja z letnim prinosom 17 t/ha pa do zelenih alg s prinosom 50 t/ha. Ustvarjanje novih pridobitvenih virov v kmetijskem in gozdnem gospodarstvu krepi podjetja s tega področja in tako preprečuje zapuščanje podeželja in padanje kupne moči. Prav tako pa gradnja in obratovanje kotlovnic na biomaso nudi nova delovna mesta in povečuje lokalno ustvarjalnost. Gozd pomembno oblikuje in varuje razgibano pokrajino. S svojim proizvodnim potencialom daje tudi možnosti za trajno uporabo lesa. Gospodarski vidiki, ki so pomembni za lastnike gozdov, izhajajo iz lesne zaloge, ki znaša v vseh gozdovih 4.500.000 m 3 (približno 250 m 3 /ha) in za trajno rabo gozda še dovoljenega poseka, ki znaša skupno 80.000 m 3 ali 4,4 m 3 /ha na letno. Trenutno ta gospodarski potencial ni izkoriščen v celoti. Viri lesne biomase uporabne v energetske namene, so: - redni posek (sortimenti slabše kvalitete), - sečni ostanki (vejevina in vrhači, vendar ne tanjši od 5 cm premera), - redčenja (drobni sortimenti), - premene, - sanitarne sečnje, - krčitve grmišč, - obnove sadovnjakov in vinogradov, - vzdrževanje parkov in zelenic, - čiščenje pašnikov, - gradnja objektov, - primarna predelava lesa (krajniki, žamanje, očelki, žaganje), - sekundarna predelava lesa (lesni prah, skoblanci), - lubje, - 2 -
- lesna embalaža, - gradbeni les, - pohištvo, - odpadki na komunalnih odlagališčih. Evropska unija je marca 2007 v okviru skupne energetske politike sprejela nov cilj, in sicer 20-odstotni delež obnovljivih virov energije v bilanci primarne energije do leta 2020. Slovenija je leta 2005 dosegla 10,5-odstotni delež obnovljivih virov energije v bilanci primarne energije. Prevladuje lesna biomasa, ki predstavlja 56,45-odstotkov vse porabe obnovljivih virov energije, 36,97-odstotkov predstavlja hidroenergija. Tako je Slovenija med članicami Evropske unije po količini primarne energije, proizvedene iz lesne biomase, na prebivalca na relativno visokem sedmem mestu. Lesna biomasa se uporablja večinoma za pridobivanje toplote pri končnih porabnikih (95 %), preostala pa v transformacijah v večjih sistemih (toplarne), od tega le 2,2 % za proizvodnjo električne energije. [1] Slika 2: Prikaz porazdelitve obnovljivih virov [1] V Sloveniji je prek 95.000 hektarjev grmišč, kjer letno priraste 120.000 ton lesa. Potencial lesne biomase iz gozdov je 200.000 ton na leto. Analize kažejo, da je v hektarju gozda od 0,6-3 -
do 1,4 m 3 nekakovostnega lesa in ostankov. V povprečju lahko upoštevamo 1 m 3 lesne biomase na hektar gozdne površine. Pri industrijski predelavi lesa ostane letno 280.000 ton lesnih odpadkov. Poleg velikih lesnoindustrijskih obratov je v Sloveniji registriranih preko 4.000 malih predelovalcev lesne surovine in več tisoč neregistriranih žag, ki ustvarjajo letno vsaj 150.000 ton lesnih odpadkov, primernih za energetsko rabo (glej Sliko 3). Tudi les iz parkov, livad in drevoredov predstavlja določen potencial, ki je praviloma lokalnega značaja. [1] Slika 3: Ocenjen potencial lesne biomase v Slovenji [1] V občini Zreče je velik odstotek gozdnih površin in je realno in smotrno računati tudi na ta vir energije, ki je v primerjavi z ostalimi cenejši. Gozdnih površin je v občini Zreče 4.268 ha ali 65 %. Letni etat iz teh gozdov je 26.920 m 3 lesa. 1.2 Opredelitev dela Osnovna dejavnost Zreškega Uniorja se je iz nekdaj izključno kovaškega obrata uspešno razširila tudi na področje gostinstva in turizma in pripomogla k izjemnemu razvoju turističnih zmogljivosti za smučanje na Rogli in termalnega turizma v Zrečah. Unior program turizem se je že od samega začetka zavedal pomembnosti varčnega ravnanja z energijo, vendar so se nekateri prejšnji osnovni ukrepi varčevanja z energijo, ki so velikokrat posegli v ugodje obiskovalcev in mikroklimatske razmere turistično termalnih kompleksov, izkazali za nezadostne in neučinkovite ter celo škodljive za konkurenčno sposobnost Uniorja. V podjetju - 4 -
Unior, d.d. daje vodstvo velik poudarek investicijam, energetiki, ekologiji, vzdrževanju, pa tudi pravilnemu vrednotenju novih investicij z upoštevanjem rabe energije in prijaznosti do okolja. Med letoma 1998 in 2000 so zato sprejeli odločitev o čimprejšnjem sprejemu programa globalnega pristopa k optimizaciji porabe in usklajenosti delovanja tehniških sistemov v različnih objektih: v Termah Zreče in KTC Rogla Welness center, hotelskih sobah in skupnih prostorih, kotlarni in toplotni podpostaji, restavracijah in kongresnih centrih. S celovitim pristopom k hkratnemu povečevanju udobja in ugodja za goste, tako dnevnega (kopalnega) kot nočnega (prenočišča in spremljevalna ponudba) in z nadzorom nad ravnanjem z energijo, da bi čim bolj zmanjšali stroške zanjo, je Unior v minulih letih zasnoval moderen in kakovosten sistem reševanja tehnoloških problemov ob hkratnem povečanju kakovosti storitev za goste. Med te ukrepe sodijo energetsko učinkoviti bazenski kompleksi z vso pripadajočo infrastrukturo (klimatizacija, uporaba odpadne vode, obnova kotlarne). Diplomska naloga temelji na izdelavi idejnih projektov za obnovo kotlarne, s katero skušamo rešiti problematiko ogrevanja obstoječih prostorov z upoštevanjem ekoloških smernic, v smislu zmanjševanja izpustov toplogrednih plinov v okolje. Podjetje Unior je v zadnjih letih vložilo izredno veliko napora v učinkovito ravnanje z energijo, kar se odraža v energetsko varčnem načrtovanju vseh naprav, postrojev in postopkov v podjetju. S pristopom ogrevanja - 5 -
in sočasno soproizvodnjo električne energije hočemo tudi pokriti vsaj delež električne energije, ki jo porabimo. 1.3 Struktura celotnega dela je sestavljeno iz šestih poglavij, ki se med seboj navezujejo. V drugem poglavju je predstavljena splošna predstavitev soproizvodnje. Osredotočili se bomo v opis različnih tehnologij, ki so možne za proizvodnjo električne in toplotne energije, ter definicijo same soproizvodnje. Predstavili bomo tudi možna uporabna goriva za soproizvodnjo. V tretjem poglavju je predstavljena soproizvodnja z izrabo na lesno biomaso. V poglavju so obširneje predstavljeni postopki pridobivanja elektrike in toplote iz biomase. Osredotočili se bomo na lesno biomaso in njene vire, energetske vrednosti in najbolj tipične oblike. Raziskali bomo potencial lesne biomase in skušali dokazati koliko letne sečnje je možno doseči v gozdovih. V četrtem poglavju je predstavljen opis sedanjega stanja, ki zavzema pregled porabnikov. Opisan je sedanji način ogrevanja hotelskega kompleksa. V nadaljevanju so predstavljeni vsi potrebni podatki, ki so potrebni za določitev preračuna oziroma ekonomsko analizo. Le ti zajemajo pregled porabljenega goriva za ogrevanje, instalirane moči, meritve toplote po porabnikih, porabo električne energije. S temi podatki se bo ustvaril urejeni toplotni diagram iz katerega bo razvidna toplotna moč za lažjo določitev velikosti soproizvodne enote in velikost morebitnih kotlov na lesno biomaso. V petem poglavju je opisana idejna postavitev, ki bo zagotavljala potrebe po toploti. Opisani so vsi posamezni sklopi naprave in predstavljeni tehnični kazalci postrojenja. V šestem poglavju se bomo dotaknili ekonomskih in okoljskih kazalnikov. V ekonomski analizi bomo primerjali štiri variante postavitev, le ti so soproizvodnja na lesno biomaso z dogrevanjem na kurilno olje, soproizvodnja na lesno biomaso z dogrevanjem na lesno biomaso, kotel na lesno biomaso in kotel na kurilno olje. V vseh štirih variantah bomo predstavili stroške obratovanja in dokazali upravičenost vlaganja. Z metodo sedanje vrednosti bomo utemeljili, katera izmed variant je najbolj dobičkonosna. Opisali bomo tudi okoljske kazalnike vpliva na okolje in s tem dokazane prednosti oziroma slabosti posameznih variant. Dokazali bomo tudi zmanjšanje okoljskih emisij v primerjavi s kotli na fosilna goriva. - 6 -
2 SPLOŠNO O SOPROIZVODNJI Soproizvodnja toplote in električne energije (krajše soproizvodnja ali kogeneracija) je proces istočasnega pretvarjanja energije goriva v toploto in električno energijo. Soproizvodnja je stara energetska tehnologija, saj izhajajo prvi sistemi še iz časov parnih batnih strojev. Za proizvodnjo električne energije uporabimo generator, ki ga poganja parna ali plinska turbina ali pa plinski motor. Toploto, ki se sprošča pri zgorevanju goriva, zajamemo in jo koristno uporabimo v sistemu daljinskega ogrevanja, za procese v industriji ali v večjih poslovnih objektih in javnih zgradbah (slika 2.1.), proizvedeno električno energijo pa porabimo za sebe oziroma jo prodamo distributerju. [2] Slika 2.1: Prikaz poteka soproizvodnje in izkoristki [2] - 7 -
Osnovna razlika med soproizvodnjo in ločeno proizvodnjo električne energije (glej sliko 2.2) je da zajamemo vso koristno uporabno toploto, oziroma imamo zelo majhne izgube. Sodobni sistemi za soproizvodnjo dosegajo zelo visoke izkoristke, tudi čez 90 %. Pri ločeni proizvodnji električne energije se približno dve tretjini vhodne energije porabi za pokrivanje toplotnih izgub, pri soproizvodnji pa to toploto zajamemo in jo koristno uporabimo. Na ta način bolje izrabimo energijo goriva in v primerjavi z ločeno proizvodnjo električne energije in toplote dosegamo prihranek energije, ki znaša med 20 in 40 %. Slika 2.2: Primerjava ločene proizvodnje in soproizvodnje toplotne in električne energije [2] V večini primerov s soproizvodnjo električne energije dosežemo manjšo obremenitev okolja kot z ločeno proizvodnjo. Ker se električna energija ponavadi uporablja na mestu porabe, se poveča zanesljivost oskrbe končnih porabnikov in zmanjšujejo izgube pri prenosu in distribuciji električne energije, kar prav tako ugodno vpliva na zmanjšanje celovitih škodljivih vplivov proizvodnje električne energije. Ker gre za izgradnjo, obratovanje in vzdrževanje večjega števila manjših enot, je soproizvodnja pomembna tudi s stališča odpiranja novih delovnih mest. Z vidika investitorjev v soproizvodnjo pa so osnovni motiv nižji stroški za - 8 -
energetsko oskrbo, večja zanesljivost oskrbe in fleksibilnost obratovanja. Gorivo je lahko fosilnega izvora (zemeljski plin, tekoči naftni plin, tekoča goriva ali premog) ali obnovljivi viri energije (biomasa, bioplin, deponijski plin). 2.1 Pregled tehnologij V nadaljevanju je kratek opis najbolj razširjenih tehnologij, ki se uporabljajo za soproizvodnjo. Navedene tehnologije so uporabne tako za fosilna goriva kot tudi za obnovljive vire energije, Soproizvodnjo kljub različnim tehnologijam in gorivom lahko razdelimo v štiri skupine: - soproizvodnja v industriji, - soproizvodnja povezana s sistemi za daljinsko ogrevanje, - soproizvodnja v javnih in poslovnih zgradbah, - mikro soproizvodnja. 2.1.1 Plinske turbine Plinska turbina pretvarja energijo zgorelega goriva v mehansko energijo. Mehansko energijo v generatorju pretvorimo v električno energijo. Plin zgoreva v zunanji zgorevalni komori, kamor kompresor dovaja potrebno količino zraka. Proizvedeni plini vstopajo v turbino, kjer se njihova toplotna energija pretvori v mehansko energijo, ki poganja alternator ali za pogon črpalk, kompresorjev, puhal itd. Preostanek energije, ki je v obliki visokih tokov vročih plinov, se lahko uporabi v prenosniku toplote, za pridobivanje procesne toplote (pare ali vroče vode). Da se doseže dobra električna učinkovitost, se ponavadi za predgrevanje zgorevalnega zraka z dimnimi plini iz turbine uporabi rekuperator (slika 2.3). Dimne pline, ki pridejo iz plinske turbine uporabljamo za kritje potreb po toploti. Lahko jo uporabimo direktno v nizko temperaturnih termičnih procesih ali pa jo v parnem kotlu pretvorimo v nizkotlačno paro, ki jo porabimo v industrijskih procesih ali za ogrevanje. V plinskih turbinah lahko uporabljamo plin ali tekoča goriva, praviloma lažje frakcije naftnih derivatov. Zelo primerne so za male soproizvodne enote, vendar je trenutno tehnologija razvita za enote nad 38 kwe in 70 kwth ob polni obremenitvi. Takšne enote so primerne za energetsko oskrbo poslovnih objektov, večstanovanjskih hiš ali manjših naselij. Električni izkoristek je 28,2 %, toplotni 51,8 %, kar predstavlja povprečni skupni izkoristek 80 %. - 9 -
Slika 2.3: Plinska turbina [3] 2.1.2 Parne turbine Sistem za soproizvodnjo s parno turbino vključuje tudi parni kotel, v katerem izgoreva gorivo, pri tem pa nastaja visokotlačna para (slika 2.4). V parni turbini se z ekspanzijo visokotlačne pare toplota pretvarja v mehansko energijo. Glede na tlak izstopne pare se parne turbine delijo na protitlačne (tlak izstopne pare je višji od atmosferskega tlaka) in kondenzacijske, kjer je tlak izstopne pare nižji od atmosferskega tlaka. Sistemi soproizvodnje s parno turbino imajo slabši električni izkoristek kot tisti s plinsko turbino, zato pa je večji celotni izkoristek. Naslednja prednost sistemov s parno turbino je, da dimni plini ne tečejo direktno skozi turbino, zato lahko v kotlu uporabljamo tako rekoč vsa goriva, tudi na primer odpadke. Podobno kot v sistemih s plinsko turbino tudi v sistemih s parno turbino pridobivamo nizkotlačno paro, ki jo koristno porabimo. - 10 -
Slika 2.4: Parna turbina [4] 2.1.3 Dizelski in plinski motorji Pod izrazom plinski motor ponavadi smatramo motor z notranjim izgorevanjem, ki za gorivo uporablja zemeljski plin, čeprav kot gorivo lahko uporabimo katerokoli tekoče ali plinasto gorivo. Dizelski in plinski motorji so standardni motorji, ki poganjajo alternator. Ta pretvarja mehansko delo, dobljeno na gredi motorja, v električno energijo. Toplota produktov zgorevanja, ki nastane pri zgorevanju goriva, se uporablja za procesno toploto ali za ogrevanje: lahko jo pridobimo z več kot 70 % izkoristkom s hlajenjem pri 120 C (plinski motor) ali 200 C (dizelski motor). Produkti zgorevanja in ohlajevalna voda motorja torej delujejo kot viri toplote. Toplota, ki jo dobimo, ima nižjo temperaturo kot pri turbinah. Plinski motor je najcenejša tehnologija soproizvodnje. Uporabljajo se tudi za mikro soproizvodnje električne energije in kot taki so primerni za stanovanjske objekte, saj ne zavzamejo nič več prostora kot konvekcionalni ogrevalni kotli. - 11 -
Slika 2.5: Plinski motor [5] 2.1.4 Kombinirani plinsko parni cikel Sistemi za soproizvodnjo s kombiniranim plinsko parnim ciklom (slika 2.6), dosegajo visok električni izkoristek. Električno energijo pridobivajo tako s pomočjo plinske kot tudi parne turbine. Izpušni plini plinske turbine se porabijo za pridobivanje pare, ki poganja parno turbino, iz parne turbine dobimo nizkotlačno paro, ki jo koristno uporabimo na primer v daljinskem ogrevanju. - 12 -
Slika 2.6: Kombiniran plinsko parni cikel [3] 2.1.5 Mikro plimske turbine Pod pojmom mikro turbine štejemo plinske turbine, katerih izhodna moč je med 25 in 250 kwe. Plin zgoreva v zunanji zgorevalni komori, kamor kompresor dovaja potrebno količino zraka. Proizvedeni plini vstopajo v turbino, kjer se njihova toplota pretvori v mehansko energijo, ki poganja alternator. Preostanek toplote, ki je v obliki vročih plinov, se lahko uporabi v prenosniku toplote, za pridobivanje procesne toplote (pare ali vroče vode). Da se doseže dobra električna učinkovitost, se ponavadi za predgrevanje zgorevalnega zraka z dimnimi plini iz turbine uporabi rekuperator (slika 2.7). V mikro turbinah se lahko uporablja tako plinasta kot tekoča goriva. - 13 -
Slika 2.7: Shema mikro plinska turbina 2.1.6 Gorivne celice Pri gorivnih celicah električne energije ne pridobivamo prek vmesne mehanske energije, ampak neposredno z elektrokemičnim procesom. V gorivni celici se ob prisotnosti elektrolita vežeta gorivo (vodik) in kisik, pri čemer se sprostijo elektroni (električna energija) in voda, pri tem pa se sprosti toplota. Gorivne celice za mikro soproizvodnjo so izdelane na podlagi elektrolitske membranske gorivne celice, ki deluje pri 80 ºC ali pa na podlagi kompaktne (trdne) oksidne gorivne celice, delujoče pri 800 ºC. V zadnjem času je nekaj raziskovalnih uspehov tudi na visokotemperaturni celici s taljenim ogljikom. Sestavni del soproizvodnje z gorivnimi celicami je tudi del za pripravo goriva in elektronika, ki enosmerni električni tok pretvori v izmeničnega. Trenutno so gorivne celice še zelo drage, vsekakor pa je ta tehnologija v prihodnosti zelo perspektivna. [6] 2.1.7 Trigeneracija Pri trigeneraciji se proizvedena toplota uporablja za proizvodnjo hladu v absorpcijskih toplotnih strojih. Tako proizveden hlad je primeren za hlajenje v industrijskih procesih ali za klimatizacijo. [6] - 14 -
2.1.8 Mikro soproizvodnja Pod izrazom mikro soproizvodnja razumemo enote, ki so primerljive za inštalacijo v stanovanjih in lahko nadomestijo klasične plinske kotle za centralno kurjavo. Enote za mikro soproizvodnjo v glavnem temeljijo na Stirlingovih motorjih ali motorjih z notranjim izgorevanjem. [6] 2.2 Pregled goriv Kot gorivo za soproizvodnjo lahko uporabljamo vsa fosilna goriva, obnovljive vire energije in odpadke. 2.2.1 Zemeljski plin Zemeljski plin je najpogosteje uporabljeno gorivo v soproizvodnji. Od fosilnih goriv je ekološko najmanj sporen, tudi v večjem delu Evrope je plinovodno omrežje zelo razvejeno. 2.2.2 Kapljevita goriva Na območjih, kjer ni plinovodnega omrežja, uporabljamo tekoča goriva, predvsem utekočinjen naftni plin in dizelsko gorivo. 2.2.3 Premog Premog je pri soproizvodnji primerno gorivo predvsem za zgorevanje v parnih kotlih. Največja soproizvodnja v Sloveniji je Termoelektrarna Toplarna Ljubljana, ki je kombinacija parnega kotla in premoga kot energenta. 2.2.4 Deponijski plin Deponijski plin nastaja pri razkroju organskih odpadkov, kar se dogaja večinoma na komunalnih deponijah, kjer se sprošča veliko metana, ki je primerno gorivo za soproizvodnjo. Poleg tega to gorivo proizvedemo sami, kar ne povzroča stroškov za nakup goriva, temveč samo za njegovo proizvodnjo. Deponijski plin velja kot obnovljiv vir energije, kar pri odkupni ceni elektrike podpira tudi država. V Sloveniji že deluje nekaj takšnih sistemov, in sicer na deponijah Pobrežje v Mariboru, Bukovžlak pri Celju in na deponiji v Ljubljani. Vsekakor pa je še veliko neizkoriščenega potenciala predvsem na manjših deponijah [6]. - 15 -
2.2.5 Bioplin Bioplin nastaja podobno kot deponijski. Bioplin imenujemo plin, ki nastaja pri razkrajanju živalskih odpadkov na živalskih farmah in pri razkrajanju v kanalizacijskih čistilnih napravah. Tudi bioplin velja kot obnovljiv vir energije. V Sloveniji imamo inštalirane soproizvodne enote na prašičjih farmah v Ihanu in Rakičanu ter kmetiji v Letušu. [6] 2.2.6 Biomasa Pri biomasi mislimo na lesno biomaso, ki je primerna za soproizvodnjo v parnih kotlih, uplinjena lahko zgoreva tudi v plinskih motorjih ali turbinah. Biomasa je za Slovenijo velik potencial, saj imamo dovolj gozdov. Je ena izmed najbolj dragocenih in mnogostranskih virov na zemlji, saj je ne uporabljamo samo za hrano, pač pa tudi kot gradbeni material, za izdelavo papirja, blaga, zdravil in kemikalij. Raba biomase za pridobivanje energije obstaja vse odkar je človek odkril ogenj. Danes se goriva iz biomase uporabljajo za pridobivanje toplote, mehanskega dela in električne energije. - 16 -
3 SOPROIZVODNJA TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE Z IZRABO LESNE BIOMASE 3.1 Energijska vrednost lesne biomase Energijska vrednost lesa je odvisna od vsebnosti vode oz. vlage v njem, ta pa je odvisna od načina pridelave in skladiščenja. V procesu zgorevanja lesa voda izpareva, pri tem se porablja energija. Za izhlapevanje 1 kg vode potrebujemo 0,68 kwh energije. Torej več kot je vode v lesu, več energije se porabi za njeno izparevanje in manj za ogrevanje. Posledice rabe vlažnega kuriva so: za 20-30 % večja poraba goriva, kar povečuje letne stroške ogrevanja in zmanjšuje učinkovitost rabe energije, večja nevarnost hitre biološke in kemične razgradnje lesa med skladiščenjem, kurilna vrednost se pri tem zmanjšuje, slabša vnetljivost kuriva; moten je potek vseh ostalih faz procesa zgorevanja lesa, večja kondenzacija vodne pare in dimnovodnih naprav (korozija, katranske obloge), zmanjšana je njihova življenjska doba, večji so stroški vzdrževanja, večji transportni stroški (zaradi večje mase tovora pri prevozu kuriva), povečane emisije škodljivih produktov zgorevanja ( CO, NO x, prašni delci) Posamezne vrste lesa imajo različne energijske vrednosti, katere so prikazane na spodnji tabeli. Les moramo skladiščiti ne le zaradi sušenja in da bi zagotovili obratovanje kurilne naprave, ko se pojavi potreba po toploti, temveč tudi zaradi možnosti nakupa večjih količin po ugodni ceni. Preglednica 3.1: Energijske vrednosti nekaterih drevesnih vrst [7] Drevesna vrsta Energijska vrednost kwh/kg kwh/m 3 kwh/prm Beli gaber 3,70 3.069 2.148 Bukev 4,12 2.968 2.078 Hrast 4,01 2.768 1.938 Jesen 3,88 2.679 1.876 Brest 4,08 2.777 1.944-17 -
B. vrba 3,79 2.123 986 Topol 3,76 1.690 1.183 Povprečno listavci 3,92 2.496 1.747 Smreka 4,33 2.037 1.426 Jelka 4,29 1.931 1.352 Rdeči bor 4,71 2.450 1.715 Povprečno iglavci 4,36 2.149 1.504 Skupno povprečje 4,04 2.444 1.665 3.2 Priprava lesne biomase Biomasa nastaja iz sončne energije, ki se v obliki kemične energije shranjuje v organizmih rastlin in živali. Pri sežigu biomase se prav tako kot pri sežigu fosilnih goriv sprošča CO 2, vendar je proizveden v zaprtem krogu in tako ne prispeva k povečevanju koncentracij CO 2 v ozračju. Na spodnji sliki imamo prikazan zaprt krog biomase, od proizvodnje do sežiga in vračanja CO 2 rastlinam. Slika 3.1: Prikaz zaprtega kroga biomase [8] - 18 -
Z biomaso pokrivamo že 14 % svetovnih potreb po primarni energiji. V Sloveniji krijemo iz lesne biomase nekaj več kot 4 % potreb po primarni energiji. V nerazvitem svetu biomaso (predvsem les) še bistveno bolj izkoriščajo za pridobivanje energije (35 % - 40 % delež, predvsem za kuhanje) kot v razvitih državah. Vendar je njihova poraba toliko večja tudi zaradi rabe zastarelih tehnologij in zato slabših energetskih izkoristkov. Priprava lesa lahko poteka v gozdu ali v lesnopredelovalnih obratih. Običajno so naslednje oblike: polena, sekanci in peleti. Polena Ponavadi se dostavljajo kot metrske cepanice. V pečeh se uporabljajo v velikosti po 30, 50, 100 in celo 200 cm dolžine. Za doseganje dobre kakovosti je potrebno dveletno skladiščenje v suhem prostoru, s čimer znižamo vsebnost vode pod 20 %. Primerna so za lastnike gozdov, ki imajo na voljo enostavno gozdarsko orodje. Sekanci To je strojno drobljen les velikosti okrog 3 cm z vsebnostjo vlage do 30 %. Uporabljajo se za samodejno obratovanje sodobnih kotlovnih naprav. Za izdelavo sekancev je primeren manj vreden les, npr. les pospravnih in sanitarnih sečenj, grmičevja, sadna drevesa ter odslužen les. Za pridobivanje tega goriva je potreben nakup oz. najem sekalnika. Peleti To so valjasti stiskanci iz suhe žagovine s premerom od 5 15 mm in dolžine 10 30 mm. Izdelujejo jih industrijsko v stiskalnicah brez uporabe kemičnih dodatkov. Prodajajo se v vrečah ali razsuti, njihova energijska vsota pa je večja kot pri sekancih. So tudi bolj sipki kot sekanci, zato jih lahko prečrpavamo po ceveh in transportiramo v cisternah. Njihova slabost pa je predvsem visoka cena. [8] 3.3 Pregled tehnologij za izrabo lesne biomase V pregledu proizvodov smo se omejili na mikro in majhne kogeneracijske sisteme, ki temeljijo na naslednjih vrstah tehnologij: motorji z notranjim izgorevanjem (dizelski in plinski motorji), motorji z zunanjim zgorevanjem (Stirling motorji), organski Rankinovi procesi ORC, parni motorji in mikro turbine. - 19 -
3.3.1 Dizelski in plinski motorji Pri dizelskih in plinskih motorjih se lahko uporabljajo tudi goriva na osnovi biomase. To je bioplin, vključno s plinom iz čistilnih naprav odpadnih voda in odlagališčnim plinom, bioolja, kot so na primer pirolizna olja in plini, ki nastanejo pri uplinjanju biomase. Pravzaprav imamo tri glavne alternative raziskav in razvoja za proizvodnjo električne energije v plinskih in dizelskih motorjih, ki uporabljajo za gorivo biomaso: uplinjevalnik, povezan z dizelskim oz. plinskim motorjem (slika 3.2), zgorevanje piroliznih olj v dizelskih motorjih (slika 3.3) in anaerobno gnitje v povezavi s plinskimi oz. dizelskimi motorji. Slika 3.2: Uplinjevalni sistem za plinski motor [9] Uporaba dizelskega motorja za kogeneracijo na biomaso vključuje proizvodnjo piroliznih olj in porazdelitev teh bio-olj v majhne sisteme za proizvodnjo električne energije. Ta olja so proizvedena iz biomase v enotah za proizvodnjo piroliznih olj, od koder se nato transportirajo do sistemov za proizvodnjo električne energije in uporabijo v dizelskih motorjih (slika 3.3). - 20 -
Slika 3.3: Hitra piroliza in dizelski motor [9] Anaerobno gnitje je razkroj mokre in zelene biomase s pomočjo bakterijskega delovanja v odsotnosti kisika. Z njo dobimo mešanico plina med metanom in ogljikovim dioksidom, ki jo imenujemo bioplin. Ta bioplin se lahko uporablja v plinskih oz. dizelskih motorjih za proizvodnjo mehanskega dela ali električne energije. Z uporabo bioplina ima kogeneracija izboljšano energijsko učinkovitost. Odpadna toplota, ki se sprošča v motorju, se lahko ponovno uporabi kot topla voda. 3.3.2 Mikro plimske turbine Pod pojmom mikro turbine štejemo plinske turbine, katerih izhodna moč je med 25 in 250 kwe. Uporaba goriv na osnovi biomase; to je bioplin, plin iz čistilnih naprav in odlagališčni plin pa je še v raziskavah. Med vsemi sistemi uplinjanja, ki temeljijo na kogeneraciji na biomaso, je najbolj raziskan sistem uplinjevalnik, povezan z mikro turbino. Na spodnji sliki (3.4) lahko vidimo shematski prikaz in potek poti do turbine, kjer lesni sekanci potujejo skozi uplinjevalnik iz katerega dobimo lesni plin. Delovanje uplinjevalnika je opisano v sliki 3.5. Lesni plin potem ohladimo in filtriramo, nakar potuje še skozi napravo za čiščenje plina. Pred vstopom v turbino mu dovedemo potreben zrak iz kompresorja, da zagotovimo pravilno mešanico plinov. S pomočjo turbine poganjamo generator, kateri proizvaja električno energijo, ki jo pošiljamo v omrežje ali jo porabimo za lastne potrebe. Hkrati turbina poganja tudi kompresor, kateri dovaja potreben zrak v zgorevalno komoro. Dimne pline, kateri prihajajo iz turbine očistimo in ohlajamo oziroma jim odvzamemo odvečno toploto, katero porabimo za daljinsko ogrevanje. - 21 -
Slika 3.4: Shema mikro plinska turbina [10] 3.3.3 Stirlingov motor Stirlingov motor je obetajoča alternativa za proizvodnjo električne energije v majhnih enotah. Sistem temelji na zaprtem krožnem procesu, kjer je delovni plin izmenično komprimiran v hladnem valju in ekspandiran v vročem valju. Prednost Stirlingovega motorja pred motorji z notranjim zgorevanjem je v tem, da se toplota ne dovaja krožnemu procesu z zgorevanjem goriva znotraj valja, ampak se prenaša od zunaj skozi prenosnik toplote podobno kot pri parnih grelnikih. Zgorevalni sistem Stirlingovega motorja temelji na tehnologiji zgorevanja v kurilnih napravah. Toplota, ki nastane pri zgorevanju goriva, se prenese delovnemu plinu skozi vroči prenosnik toplote, pri visoki temperaturi (680-780 C). Toplota, ki se na gredi motorja ne pretvarja v delo, pa se odda hladilni vodi v hladnem prenosniku toplote pri temperaturah od 25 do 75 C. Zaprt sistem omogoča uporabo delovnega plina, ki je bolj primeren od zraka, za prenos toplote v in iz krožnega procesa. Poleg zraka se kot delovni plin lahko uporabljajo tudi helij, vodik in dušik. Zaradi zunanjega zgorevanja je možno v sistemih s Stirlingovim motorjem uporabiti praktično vsa goriva. Stirlingov motor se šteje za eno najbolj obetavnih tehnologij za kogeneracijo na biomaso. Poleg sistemov z direktnim zgorevanjem v Stirlingovih motorjih so v raziskovanju in razvoju tudi sistemi z uplinjanjem. - 22 -
Stirling motor SOLO 161 (slika 3.5) je samostojno delujoč motor z dvema valjema (postavljen v obliki črke V, kot med njima je 90 stopinj). Grelnik, regenerator in sistem hlajenja so nameščeni med valjema. Kot delovni plin v motorju se uporablja helij. V primerjavi z zrakom je učinkovitost boljša. Vgrajen je protitočni prenosnik toplote (predgrelnik zraka). Preostali del produktov zgorevanja je prenesen svežemu zraku za zgorevanje. Temperatura produktov ogrevanja se ohladi za približno 250 stopinj Celzija. Računalniški program med delovanjem motorja nadzira tlak olja, temperaturo ohlajene vode, hitrost motorja, temperaturo toplotnega prenosnika, napetost in frekvenco. Slika 3.5: Shema kogeneracijskega postroja na Stirling motor 3.3.4 Organski Rankinov proces (ORC) Princip proizvodnje električne energije s pomočjo ORC procesa je podoben konvencionalnemu Rankinovemu procesu, s to razliko, da se namesto vode uporabi organski delovni medij. V ORC procesu se s pomočjo vira toplote v uparjalniku uparja organski fluid, in nato ekspandira v turbini s hitro vrtečim turbo alternatorjem. Ekspandirana para nato - 23 -
kondenzira v kondenzatorju, iz katerega se kondenzat črpa nazaj v uparjalnik. Kondenzator se ohlaja s primernim ohlajevalnim sredstvom; pri kogeneraciji je to povratna ogrevalna voda. Proces je primeren za proizvodnjo električne energije iz trdnih, tekočih in plinastih goriv kakor tudi iz odpadne toplote. - 24 -
4 OPIS OBSTOJEČEGA STANJA IN PORABA ENERGENTOV ZA OGREVANJE TER PROIZVODNJO ELEKTRIČNE ENERGIJE 4.1 Opis obstoječega stanja Rogla je velik rekreacijsko turistični center s hoteli, športno dvorano in depandansami, ki se ogrevajo s kurilnim oljem, depandanse pa individualno z utekočinjenim naftnim plinom. Toplotne potrebe se pokrivajo iz lastnih virov vročevodni kotli. Za toplovodno ogrevanje prostorov, bazena in sanitarne vode sta v kotlovnici hotela Rogla nameščena dva toplovodna kotla Buderus, nazivne toplotne moči 2 x 600 kw. Hotel Rogla se zaradi nadmorske višine 1.517 metrov ter posledično nizkih temperatur ogreva tudi v poletnem času. Kotla obratujeta neprekinjeno skozi vse leto. Ogrevanje bungalovov se vrši z 12 manjšimi kotli Vaillant, moči 20 do 27 kw, ki obratujejo le v času zimske sezone. Za ugotovitev toplotnih potreb je bila izvedena energetska zasnova Občine Zreče, ki je vsebovala celovit pregled rekreacijsko turističnega centra Rogla. 4.2 Pregled porabnikov 4.2.1 Površine objektov Hotelski kompleks je sestavljen iz naslednjih enot: Preglednica 4.1: Opis površine objektov ogrevanja [11] HOTEL PLANJA 3 540,00 m 2 SAMOSTOJNA RESTAVRACIJA IN TRGOVINA 789,90 m 2 SPREJEMNI CENTER 2 712,00 m 2 SPALNI DEL HOTELA 2 403,00 m 2 ŠPORTNA DVORANA 1 631,00 m 2 ANEKS K ŠPORTNI DVORANI 1 210,00 m 2 VZDRŽEVALNA LOPA 120,00 m 2 POMOŽNI OBJEKT 73,50 m 2 DEPANDANSE 1 171 m 2 SKUPAJ 13 651 m 2 Vir: Energetska zasnova Občine Zreče. - 25 -
4.2.2 Pregled instaliranih moči porabnikov in tipov ogrevanja Osnovni tehnični podatki kotlov in gorilnikov so podani v preglednici 4.2. Preglednica 4.2: Osnovni tehnični podatki kotlov in gorilnikov, RTC Rogla [11] Porabniki Instalirana moč Tip ogrevanja v kw Hotel s športno dvorano 1 160 Ekstra lahko kurilno olje Depandanse 300 UNP Skupaj 1 460 Vir: Energetska zasnova Občine Zreče. 4.3 Pregled porabe toplotne energije v RTC Rogla V hotelu, kjer se porabi večino toplote, sta za spremljanje porabe, ekstra lahkega kurilnega olja (ELKO), nameščena 2 merilnika. Iz dnevne dinamike odjema ELKO, (slika 4.1) na lokaciji je razvidno, da se za potrebe ogrevanja bazena, sanitarne vode ter ogrevanja prostorov v času izven ogrevalne sezone porablja kontinuirano med 350 in 450 litri ELKO dnevno. 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 1.000 800 600 400 200-1.1.2007 1.2.2007 1.3.2007 1.4.2007 1.5.2007 Dnevna poraba ELKO (L) 1.6.2007 1.7.2007 1.8.2007 1.9.2007 1.10.2007 1.11.2007 1.12.2007 1.1.2008 1.2.2008 1.3.2008 1.4.2008 1.5.2008 1.6.2008 1.7.2008 1.8.2008 1.9.2008 1.10.2008 1.11.2008 1.12.2008 Slika 4.1: Dnevna poraba kurilnega olja v hotelu Rogla (2007 2008) - 26 -
4.3.1 Urejen letni diagram potreb po toplotni moči Povprečen dnevni toplotni odjem ni zadosten za podrobnejšo analizo toplotne moči soproizvodne enote. Določena je bila krivulja dnevnega odjema, katera simulira razporeditev toplotnega odjema in je prikazana na sliki 4.2. S poznavanjem dnevnega odjema in izkustvenega dnevnega profila toplotnega odjema iz katerega lahko razberemo, da je največja dnevna toplotna poraba predvidena ob 6 uri zjutraj in znaša 8,1 % celodnevne porabe toplotne energije. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Dnevni profil toplotnega odjema (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Slika 4.2: Dnevni profil toplotnega odjema [12] S pomočjo razpoložljivih podatkov od vzdrževalcev, ki dnevno ob 8.00 uri popisujejo merilnike za kurilno olje, ter istočasno zunanjo temperaturo se je določila maksimalna dnevna toplotna vrednost (slika 4.3) po spodnji enačbi glede na dnevni profil porabe toplotne energije, ob 6 uri zjutraj pri 8,1 % celodnevnega odjema toplotne energije. Φmax = Z Hi 0,081% [1] Φ max = maksimalni dnevni odjem (kw) Z = dnevni odjem (L) H i = kurilna vrednost za ELKO znaša 10,17 (kwh/l) Iz diagrama (slika 4.3) vidimo, da je potreba po toploti skozi vse leto. Masimalni odjem toplotne moči (iz diagrama) znaša 1464 kw, minimalni odjem pa 186 kw. - 27 -
Maksimalni toplotni odjem ob 6 uri zjutraj 1.600 25 1.400 20 Maksimalna toplotna moč (kw) 1.200 1.000 800 600 400 200-1.1.2008 15.1.2008 29.1.2008 12.2.2008 26.2.2008 11.3.2008 25.3.2008 8.4.2008 22.4.2008 6.5.2008 20.5.2008 Toplotna moč 3.6.2008 17.6.2008 1.7.2008 15.7.2008 Temperatura Slika 4.3: Gibanje urne toplotne moči v odvisnosti od temperature 29.7.2008 12.8.2008 26.8.2008 9.9.2008 23.9.2008 7.10.2008 21.10.2008 4.11.2008 18.11.2008 2.12.2008 16.12.2008 30.12.2008 Vendar za analizo soproizvodne enote nam ne zadošča samo maksimalni dnevni odjem in temperatura. S poznavanjem urne dinamike toplotnega odjema lahko za izbrano toplotno moč precizneje določimo obdobje obratovanja, ter letno izkoriščenost same naprave. Glede na razpoložljive podatke o porabi kurilnega olja ter poznavanje režima obratovanja obstoječega procesa, se kot pomoč pri določitvi urejenega letnega diagrama potreb po toplotni moči za izhodišče poslužujemo izkustvene krivulje dnevnega toplotnega odjema (slika 4.2) pridobljene na podlagi poznavanja procesa. S pomočjo izkustvene krivulje in dnevnega popisa kurilnega olja lahko izračunamo in analiziramo urejen urni diagram potreb po toploti (slika 4.4). 15 10 5 0-5 -10-15 Temperatura ( 0 C) Φ th = n i= 1 Φ td [2] Φ tr = urna toplotna moč (kw) Φ td = dnevna toplotna moč (kw) Na sliki 4.4 imamo prikazan urejen toplotni odjem iz katerega lahko ugotovimo, da so potrebe po toploti skozi vso leto. S pomočjo urejenega toplotnega diagrama bomo pozneje lažje analizirali velikost soproizvodne enote. Prikazali pa smo tudi izkoriščenost trenutnega kotla, od koder vidimo, da z njim pokrivamo toplotne potrebe, ki so dosti manjše od območja - 28 -
katerega bi moral pokrivat kotel na kurilno olje. Iz diagrama je razvidno obratovanje drugega kotla, kateri obratuje samo 835 ur v letu. Slika 4.4: Urejen urni diagram Za ogrevanje hotela se v času ogrevalne sezone porabi 45 % celotne porabe ELKO (120.000 litrov), za ogrevanje bazena, sanitarne vode ter delno dogrevanje prostorov v poletnem času pa se porabi 145 tisoč litrov letno ali 55 % celotne porabe ELKO. Porazdelitev pasovne porabe ELKO oziroma konstantne vsakodnevne porabe, ki je neodvisna od zunanje temperature, in na katero ne moremo vplivati je prikazana na sliki 4.5. Iz dnevne dinamike odjema ELKO na lokaciji je razvidno, da se za potrebe ogrevanja bazena, sanitarne vode ter ogrevanja prostorov izven ogrevalne sezone porablja konstantno med 350 in 450 litri ELKO dnevno. Iz tega lahko sklepamo, da je pasovna poraba toplote 4.068 kwh/dan oziroma 169,5 kw na uro. Toplotne potrebe za ogrevanje prostorov in ogrevanje sanitarne vode skozi celo leto znašajo 2.685.368 kwh/a. - 29 -
ostalo 17% izgube v kotlovnici 8% pralnica 6% depandansa Brinje 8% bazen ogrevanje 33% ogrevanje sanitarne vode 28% Slika 4.5: Razdelitev pasovne porabe toplote v hotelu Rogla [13] 4.4 Pregled porabe električne energije v trafo postaji RTC Rogla 4.4.1 Porazdelitev porabe električne energije na lokaciji RTC Rogla Po namenu lahko porabnike električne energije razdelimo na: Sedežnica Planja in vlečnico Zlodejevo; pralnico in kuhinjo; energetiko; klimatske naprave in razsvetljavo; bazene in savne ter sobni del. Odjemno mesto TP RTC Rogla je največji porabnik električne energije in z 2,0 GWh predstavlja 70 % celotne porabe podjetja Unior turizem na Rogli. V okviru energetskega pregleda so bile izvedene meritve gibanja konične električne moči večjega dela lokacije. Meritve so se izvajale med 10.6 in 16.6.2008. Maksimalno moč je podjetje doseglo v petek 13.6. ob 10:15, in sicer 352 kw, kar je razvidno na sliki 4.7. Porazdelitev porabe električne energije, ki je bila prav tako merjena od 10.6 do 16.6.2008 je prikazana na sliki 4.6. - 30 -
čistilna naprava 1,6% vlečnica Planja 1,1% vlečnica Zlodejevo 0,7% ostalo 28,3% spalni del hotela 7,3% pralnica 8,6% športna dvorana 3,5% sprejemni del hotela 10,3% bazen kuhinja 14,0% 4,5% srednji del hotel 20,1% Slika 4.6: Porazdelitev porabe električne energije v hotelu Rogla [13] delovna električna moč [ kw ] 400 350 300 250 200 150 100 spalni del hotela sprejemni del hotela kuhinja športna dvorana 50 0 10. 6. 08 15:00 10. 6. 08 19:00 10. 6. 08 23:00 11. 6. 08 03:00 11. 6. 08 07:00 11. 6. 08 11:00 11. 6. 08 15:00 11. 6. 08 19:00 11. 6. 08 23:00 12. 6. 08 03:00 12. 6. 08 07:00 12. 6. 08 11:00 12. 6. 08 15:00 12. 6. 08 19:00 12. 6. 08 23:00 13. 6. 08 03:00 13. 6. 08 07:00 13. 6. 08 11:00 13. 6. 08 15:00 13. 6. 08 19:00 13. 6. 08 23:00 14. 6. 08 03:00 14. 6. 08 07:00 14. 6. 08 11:00 14. 6. 08 15:00 14. 6. 08 19:00 14. 6. 08 23:00 15. 6. 08 03:00 15. 6. 08 07:00 15. 6. 08 11:00 15. 6. 08 15:00 15. 6. 08 19:00 15. 6. 08 23:00 16. 6. 08 03:00 16. 6. 08 07:00 bazen srednji del hotel Slika 4.7: Gibanje konične električne moči hotela Rogla (10.6. 16.6.2008) [13] S pomočjo merjenih podatkov, ki smo jih pridobili od energetskega pregleda in so že predstavljeni v zgornjih dveh diagramih smo skonstruirali diagram, ki je prikazan na sliki 4.8. Diagram zajema minutne odčitke električne energije, ki so bili narejeni z merilnikom METREL. Iz diagrama lahko razberemo, da je konstantna potreba približno 60 kw(h) v času izven sezone, ko vlečnica Zlodejevo in sedežnica Planja ne obratujeta. - 31 -
Električna moč hotela 450 Električna moč (kw) 400 350 300 250 200 150 100 Električna moč hotela 50 0 10. 6. 08 15:00 10. 6. 08 18:42 10. 6. 08 22:24 11. 6. 08 02:06 11. 6. 08 05:48 11. 6. 08 09:30 11. 6. 08 13:12 11. 6. 08 16:54 11. 6. 08 20:36 12. 6. 08 00:18 12. 6. 08 04:00 12. 6. 08 07:42 12. 6. 08 11:24 12. 6. 08 15:06 12. 6. 08 18:48 12. 6. 08 22:30 13. 6. 08 02:12 13. 6. 08 05:54 13. 6. 08 09:36 13. 6. 08 13:18 13. 6. 08 17:00 13. 6. 08 20:42 14. 6. 08 00:24 14. 6. 08 04:06 14. 6. 08 07:48 14. 6. 08 11:30 14. 6. 08 15:12 14. 6. 08 18:54 14. 6. 08 22:36 15. 6. 08 02:18 15. 6. 08 06:00 15. 6. 08 09:42 15. 6. 08 13:24 15. 6. 08 17:06 15. 6. 08 20:48 16. 6. 08 00:30 16. 6. 08 04:12 Slika 4.8: Konična električna moč hotela Rogla - 32 -
5 IDEJNA ZASNOVA POSTROJA ZA PRIDOBIVANJE TOPLOTNE IN ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ BIOMASE Soproizvodno enoto izberemo na podlagi dobljenih rezultatov porabe toplotne energije in ne na potrebo po električni energiji. Glede na predvideno porabo toplotne energije, urejen urni toplotni diagram, ki je prikazan na sliki 4.4, je razvidno, da hotelski kompleks potrebuje toplotno energijo skozi vso leto. S pomočjo diagrama bomo določili potrebno velikost soproizvodne enote. Za idejno postavitev bomo imeli model, katerega proizvajalec je Strirling Danmark, tip soproizvodne enote SD4E. Z vgrajeno soproizvodnjo na lesne sekance, katera ima toplotno moč 140 kwth in 35 kwel električne moči bi zagotovili toploto skozi vse leto, oziroma na podlagi urejenega urnega diagrama vidimo (slika 5.1.), bo ostalo toplotno energijo pokrival star kotel na kurilno olje. Slika 5.1: Pokrivanje toplotne energije s soproizvodno enoto - 33 -
5.1 Zasnova postrojenja Slika 5.2: Tlorisna postavitev soproizvodnje [14] Na zgornji sliki imamo prikazano tlorisno postavitev kogeneracijske postaje, katera je sestavljena iz: Uplinjevalnika, Zgorevalne komore, Strirlingovega motorja, Akumulacijske posode oziroma hranilnika toplote in Zalogovnika sekancev. - 34 -
5.1.1 Uplinjevalnik Uplinjevalnik se sestoji iz zunanje jeklene komore, obložene z izolacijskim materialom (Slika 5.3). Lesne sekance dodajamo na vrhu protitočnega uplinjalnika z vijačnim transporterjem. Uplinjevalnik se segreje s toploto, pridobljeno iz zgorevalne komore, do 800 C ali več. Dovaja se zrak, da bi se doseglo približno 10 % kisika v zmesi in prične se postopek uplinjanja biomase. Ta proizvaja sintezni plin, ki se ekstrahira iz spodnjega dela uplinjevalnika in prenaša v zgorevalno komoro. [14] Slika 5.3: Uplinjevalnik [15] - 35 -
5.1.2 Zgorevalna komora Zgorevalna komora je visoko tehnološki jekleni valj, ki je obložen z inertnim in izolacijskim materialom, ki vzdrži zelo visoke temperature. Zgorevalna komora je v neposrednem stiku s Stirlingovim motorjem (slika 5.4). Dotok sinteznega plina in predhodno segretega zraka gre skozi poseben gorilnik; proces zgorevanja se optimizira z nadzorovanjem odstotkov sestavin v zmesi. Zrak se segreje s tem, ko gre skozi izmenjevalnik toplote, ki je nameščen znotraj zgorevalne komore. V komori lahko temperatura doseže vrednosti tudi do 1250 C. [14] 5.1.3 Stirlingov motor Stirlingov motor dosega električno moč 35 kwe. Izvedba motorja je 4-valjna. Vsak valj deluje dvostransko. Pri tem poteka v zgornjem vročem delu proces ekspanzije, v spodnjem hladnem delu pa proces kompresije. Motor je izveden s štirimi bati, ki so na ročično gred vezani z zamikom 90 stopinj. To omogoča zaporedno povezavo vročega dela predhodnega valja s hladnim delom naslednjega valja. Povezovalne cevi so postavljene v zgorevalno komoro in opravljajo funkcijo toplotnega prenosnika. Proces delovanja poteka je prikazan na sliki 5.4. Deluje pa tako, da se lesni sekanci s pomočjo vijačnega transporterja transportirajo v uplinjevalnik, kjer poteka proces uplinjevanja lesne biomase iz katerega nastane sintezni plin. Temu plinu primešamo predgret zrak, da dobimo ustrezno mešanico, katera se uporabi v zgorevalni komori. Z zgorevalnim plinom ogrevamo kotel oziroma grelnik, kateri poganja stirlingov motor s katerim proizvajamo električno energijo. Z nastalo odpadno toplotno energijo iz motorja in dimnih plinov s pomočjo izmenjevalnika pretvorimo v daljinsko toplotno energijo, s katero ogrevamo poslopje nekaj pa jo porabimo za predgrevanje zraka. [14] - 36 -