Mladen Bosnjakovic - KOGENERACIJA

Veleuilite u Slavonskom Brodu

mr.sc. Mladen Bonjakovi

Veleuilite u Slavonskom Brodu Izobrazba za energetsko certificiranje zgrada 2

1. Direktiva o kogeneraciji

2. Implementacija direktive u hrvatsko zakonodavstvo

3. EN 15316-4-4:2006

4. Podruje primjene CHP

5. Shema CHP sustava 5.1 Glavna izvedba

5.2 Tehnike karakteristike CHP sustava

6. Industrijska CHP

6.1 Parnoturbinski sustavi

6.2 Plinskoturbinski sustavi

6.3 Motori s unutarnjim izgaranjem

7. Mala CHP

8. Mikro CHP 8.1 Motori SUI

8.2 Organski Rankinov ciklus

8.3 Gorivne elije

9. Projektiranje CHP sustava

10. Prednosti, nedostatci, .


KOGENERACIJA (CHP)

(cogeneration - Combined Heat and Power )

Direktiva o kogeneraciji 2004/8/EC od 11. veljae 2004. u lanku 3.

definira kogeneraciju na sljedei nain:

U jednom procesu istodobna proizvodnja toplinske i elektrine

i/ili mehanike energije.

Opi cilj Direktive je

definirati nain izrauna elektrine energije iz CHP

stvoriti okvir za afirmaciju i razvoj visokoefikasne kogeneracije

toplinske i elektrine energije

definirati neophodne smjernice za primjenu CHP

Direktiva o kogeneraciji


Direktiva je donesena kao jedna od mjera za utedu energije

Direktiva promovira visoko efikasnu CHP zasnovanu na stvarnim

potrebama za toplinskom energijom u smislu utede primarne

energije, smanjenja gubitaka u toplovodnoj distributivnoj mrei i

smanjenja emisije staklenikih plinova.

Uporaba CHP pridonosi sigurnosti opskrbe trita elektrinom

energijom

Direktiva se nadovezuje na Direktivu 2003/54/EC koja definira opa

pravila za proizvodnju, distribuciju i dobavu elektrine energije na

trite elektrine energije

CHP se smatra kao dio mjera koje podupiru Kyoto Protokol

EPB direktiva se poziva na uporabu alternativnih izvora energije

i kogeneraciju za zgrade podne povrine vee od 1000 m2

Direktiva o kogeneraciji 2004/8/EC


Kako bi se ostvario postavljeni cilj, Direktiva utvruje nekoliko bitnih podruja.

Direktiva definira:

produkte CHP (kog. elektrina i toplinska energija, kog. gorivo)

visoko-efikasnu CHP i energetske utede

Direktiva zahtijeva od drava lanica:

stvaranje uvjeta koji e omoguiti certifikaciju visoko-efikasne CHP

(Garancija o porijeklu, zakonski i regulatorni okvir)

analiziranje nacionalnih potencijala za visoko-efikasnu CHP

koncipiranje strategije za ostvarivanje potencijala, ukljuujui i mehanizme

podrke

reguliranje pristupa mrei u smislu prava pristupa i transparentnosti

postupka, te tarifa za isporuku, rezervnu energiju (back-up) i vrne potrebe

(top-up)

publiciranje izvjetaja s rezultatima analize i evaluacije

dostavljanje statistike o proizvodnji elektrine i toplinske energije u CHP



CHP tehnologije u smislu Direktive (Aneks I)

a) kombinirani proces plinske turbine s iskoritavanjem otpadne topline

b) protutlane parne turbine

c) kondenzacijske parne turbine s oduzimanjem pare

d) plinske turbine s iskoritavanjem otpadne topline

e) motori s unutarnjim izgaranjem

f) mikroturbine

g) Stirlingovi motori

h) gorive elije

i) parni strojevi

j) organski Rankinov proces

k) sve ostale vrste tehnologija ili izgaranja koje predstavljaju

istovremenu proizvodnju toplinske i elektrine/mehanike energije u

jednom procesu



Openito CHP jedinice do 400 kW koje obuhvaa Direktiva 92/42/EEC, a

koja se odnosi na nove toplovodne kotlove loene tekuim ili plinovitim

gorivom koji moraju zadovoljiti minimalne definirane kriterije efikasnosti,

nisu obuhvaene ovom direktivom.

Kako efikasnost CHP ovisi o mnogim imbenicima kao to su uporabljena

tehnologija, vrsta goriva, veliina jedinice, svojstva topline, Direktiva

razlikuje slijedee klase CHP postrojenja (lanak 31):

industrijska CHP

CHP za grijanje

poljoprivredna CHP

- Efikasnost CHP se rauna na bazi donje ogrjevne vrijednosti goriva



Elektrina energija iz CHP odvojiti ne-kogeneracijsku proizvodnju (Aneks II)



El. energija iz CHP je jednaka ukupnoj godinjoj proizvodnji mjereno na

izlazu iz el. generatora u CHP jedinicama :

tipa b), d), e), f) i g) iji je stupanj korisnosti najmanje 75%

tipa a) i c) iji je stupanj korisnosti najmanje 80%

Ako je stupanj korisnosti manji od navedenog el. energija se rauna

ECHP= C HCHP , pri emu je C stvarni faktor snage.

Ako stvarni faktor snage C nije poznat moe se uzeti iz sljedee tablice:

C


Annex 2: Proraun elektrine energije iz kogeneracije


Najkasnije est mjeseci nakon utvrivanja ujednaenih referentnih

vrijednosti za uinkovitost, zemlje lanice treba da osiguraju

utvrivanje garancija o porijeklu po objektivnim, transparentnim i

nediskriminirajuim principima. Garancije treba da specificiraju:

donju ogrijevnu vrijednost goriva, nain korienja proizvedene topline,

datum i mesto proizvodnje,

koliinu elektrine energije iz visokoefikasne kogeneracije,

ostvarenu utedu primarne energije.

Garancije moraju biti meusobno priznate od zemalja lanica EU.

Eventualno odbijanje prihvatanja mora biti bazirano na objektivnim,

transparentnim i nediskriminirajuim kriterijima. Krajnju procjenu

donosi EU s pravom prisile.

Garancija porijekla elektrine energije


Za osiguranje prijenosa i distribucije elektrine energije iz

visokoefikasne kogeneracije, treba primijeniti lanak 7(1), (2) i (5)

Directive 2001/77/EC ,

zemlje lanice trebaju osigurati kogeneracijskim proizvoaima

mogunost kupovine bazne i vrne elektrine energije po javno

obznanjenim tarifama i uvjetima,

uz obavijetavanje EU, zemlje lanice mogu osigurati povlateni

pristup prijenosnoj mrei elektrine energije proizvedene u

visokoefikasnim kogeneracijskim postrojenjima (ukljuujui male i

mikro kogeneracije).

Prijenosni sistem i tarife


Visokoefikasna CHP zahtijeva se minimalna uteda primarne energije (PES)

od 10% (Aneks III)


Uvjet za dobivanje statusa povlatenog proizvoaa el. energije


Ukupna efikasnost CHP postrojenja moe se definirati kako slijedi:

Osnovni nedostatak ukupne efikasnosti definirane na ovaj nain je

u injenici da se elektrina i toplinska energija jednostavno

zbrajaju. Jasno je da su ove dvije vrijednosti vrlo razliite u

termodinamikom smislu i da elektrina energija puno vie vrijedi.

U ekonomijama razvijenih zemalja razlika u vrijednostima je dobro

uravnoteena i reflektirana u njihovim cijenama.

Puno realnija procjena efikasnosti odreuje se definiranjem

eksergijske efikasnosti.



Koliina primarnih energetskih uteda (Primary energy savings) osiguranih

CHP proizvodnjom rauna se temeljem slijedee jednadbe:

(2)



Tijekom 2006. EU je utvrdila harmonizirane referentne vrijednosti stupnja

korisnosti za odvojenu proizvodnju toplinske i elektrine energije uzimajui

u obzir:

godinu izgradnje,

tip postrojenja,

vrstu goriva,

prekograninu razmjenu elektrine energije,

miks goriva,

klimatske uvjete.

Prva revizija tih vrijednosti e se napraviti 2011., a zatim svake etiri

godine.

Referentne vrijednosti stupnja korisnosti


Na prvi pogled, jednadba (2) je vrlo jednostavna. Naalost, vrlo je

komplicirana za koritenje jer odreivanje efikasnosti CHP procesa, a

posebice referentnih vrijednosti efikasnosti za odvojenu proizvodnju

topline i elektrine energije vrlo kompleksno. Osim osnovne definicije,

potrebni su i neki drugi referentni dokumenti.

Ovaj pokazatelj primarno se koristi za:

definiranje efikasnosti promatranog CHP procesa u odnosu na neke

druge propisane referentne procese.

svrhu kvalificiranja CHP pred npr. dravnim tijelima kako bi se dobile

subvencije ili stimulacije.



Direktiva 2004/8/EC je u hrvatsko zakonodavstvo transponirana kroz:

Zakon o energiji,

Zakon o tritu elektrine energije

Zakon o regulaciji energetskih djelatnosti,

Tarifnim sustavom za proizvodnju elektrine energije iz obnovljivih

izvora energije i kogeneracije,

Uredbom o naknadi za poticanje proizvodnje elektrine energije iz

obnovljivih izvora energije i kogeneracije,

Uredbom o minimalnom udjelu elektrine energije proizvedene iz

obnovljivih izvora energije i kogeneracije, ija se proizvodnja potie

Pravilnikom o koritenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije.

Pravilnikom o stjecanju statusa povlatenog proizvoaa elektrine

energije



Minimalni udio elektrine energije ija se proizvodnja potie u ukupnoj

neposrednoj potronji elektrine energije do 31. prosinca 2020. godine

bit e:

1) iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije 13,6%,

2) iz kogeneracijskih postrojenja, ija se proizvodnja elektrine energije

isporuuje u prijenosnu, odnosno distribucijsku mreu 4%..

Uredba o izmjenama i dopunama Uredbe o minimalnom udjelu

elektrine energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i

kogeneracije ija se proizvodnja potie, NN 8/11)


Metoda procjene energetskih svojstava CHP sustava u zgradama za

grijanje prostora i/ili pripremu PTV.

Metoda se moe primijeniti na:

utvrivanje energetskih svojstava CHP sustava,

ocjenu sukladnosti sa zakonima u smislu energetskih ciljeva,

optimizaciju energetskih svojstava planiranog sistema,

procjenu efekata mjera energetskih uteda postojeeg sistema.

Samo nain izrauna i ulazni parameteri su normativni. Sve vrijednosti

daju se u nacionalnim dodacima.

Okvirni nain prorauna opisan je u EN 15603

Podruje standarda

EN 15316-4-4:2006


EN 15316-4-4:2006


Metodologije prorauna:

Razlikuju se dva glavna naina rada:

CHP jedinica je dimenzionirana da radi pod punim kapacitetom

najvei dio vremena tako da proizvedena toplina pokriva samo

osnovne potrebe za toplinom.

CHP jedinica radi kao zamjena za kotao i pokriva cjelokupne

potrebe zgrade za toplinom

U ovom standardu za svaki nain rada daje se odgovarajua

proraunska metoda:

metoda djelominog doprinosa", za CHP jedinice koje pokrivaju

osnovne potrebe za toplinom;

metoda godinjeg profila optereenja, za CHP jedinice koje rade

kao zamjena za kotao.

EN 15316-4-4:2006


Annex B (informative)

Efikasnost mikro CHP jedinica (u zgradama)

Table B.1 Indikativne efikasnosti razliitih tehnologija glavnog agregata za mikro CHP

integrirane u zgradu (zasnovane na nioj ogrjevnoj vrijednosti goriva)1

1 Preliminarni podatci, jer mnoge CHP jedinice koje koriste Stirlingov stroj i gorivne elije jo

uvijek su u fazi razvoja

EN 15316-4-4:2006


Annex C (informative)

Primarne energetske utede od CHP

C.1 Potronja primarne energije u CHP sistemu

C.2 Potronja goriva za referentni sluaj (postrojenje)

C.3 Potronja primarne energije za referentni sluaj

C.4 Uteda primarne energije u CHP sistemu

Annex D (informative)

Primjer: metoda godinjeg profila optereenja

EN 15316-4-4:2006


EN 15316-4-4:2006

Veleuilite u Slavonskom Brodu Izobrazba za energetsko certificiranje zgrada

Industrija:

- Primjena procesne pare:

papirna industrija

industrija hrane

tekstilna industrija

kemijska industrija

proizvodnja eera

Tipine industrije koje nisu

pogodne za CHP:

(zahtjeva se toplina vrlo

visoke temperature)

- cementna industrija

- eliane

- itd.

Podruje primjene CHP


Shema CHP sistema


Prema glavnom agregatu postoje CHP postrojenja

s parnom turbinom

s plinskom turbinom

postrojenje s kombiniranim ciklusom plinsko-parnom turbinom

s motorom s unutranjim izgaranjem (termomotorna kogeneracija)

gorivne elije (kem. energije vodika i kisika direktno u el.energiju),

stirlingov motor,

Glavni agregat


Vrsta glavnog agregata ovisi o snazi CHP postrojenja

1 kWe Mikroturbina

Stirlingov stroj

Gorivne elije

Plinska turbina

Kombinirani ciklus (plin+para)

Parna turbina

Dizel motor

50 kWe

20 MWe

50 MWe

300 MWe

500 MWe

EL. SNAGA

Glavni agregat


Glavni agregat - kogeneracije na biomasu

Izvor: Draen Lonar, Tehnologije koritenja biomase u kogeneraciji, Savjetovanje, Sisak,

27. - 28. studenog 2008.


Tehnike karakteristike CHP sustava


Srednje i elika

CHP do 35 MW, odnosno vea

Mala CHP (do

1 MW el)

Mikro CHP

(do 30 kW el)

Podjela CHP sustava


Prema PRAVILNIKU O KORITENJU OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE I

KOGENERACIJE, NN 88/12 kogeneracijska postrojenja dijele se na sljedee

grupe:

Grupa 3. Kogeneracijska postrojenja instalirane elektrine snage do ukljuivo 1

MW, prikljuena na distribucijsku mreu:

a. instalirane elektrine snage do ukljuivo 30 kW

b. instalirane elektrine snage vee od 30 kW do ukljuivo 1 MW

Grupa 4. Kogeneracijska postrojenja instalirane elektrine snage vee od 1

MW, prikljuena na prijenosnu ili distribucijsku mreu:

a. instalirane elektrine snage vee od 1 MW do ukljuivo 35 MW

b. instalirane elektrine snage vee od 35 MW, te sva kogeneracijska

postrojenja prikljuena na prijenosnu mreu.

Grupa 5. Individualna kogeneracijska postrojenja koja nisu prikljuena na

prijenosnu ili distribucijsku mreu.


Srednja i velika CHP

34


Parna turbina pripada grupi toplinskih motora koji pretvaraju toplinsku

energiju u mehaniki rad.

Parne turbine se koriste u kombiniranim procesima u razliitim

kombinacijama, ali u pravilu uz plinsku turbinu i dodatke za dodatno loenje

i proizvodnju pare visokog tlaka. Stupanj iskoristivosti goriva za proizvodnju

elektrine energije dosee 52 %.

Visok stupanj korisnosti postrojenja, velika snaga, velik odnos snage prema

masi motora, sigurnost u pogonu, visok stupanj automatizacije neki su od

razloga zbog kojih parna turbina i danas zauzima vodee mjesto u

proizvodnji elektrine energije.

Kada se parne turbine koriste kao CHP tehnologija, para se moe koristiti

izravno za potrebe procesa u industriji ili se moe preko izmjenjivaa topline

dalje koristiti za grijanje u kuanstvima.

Parne turbine


Parnoturbinski sustavi

a) Protutlana turbina (back-pressure turbine)

izlazni tlak je vei od atmosferskog

odnos izmeu proizvedene el. i toplinske energije je fiksan

b) Kondenzacijska turbina s reguliranim oduzimanjem pare

(condensing with extraction turbine)

izlazni tlak manji od atmosferskog

odnos izmeu proizvedene el. i toplinske energije nije fiksan


Parno-turbinski sustav

Slika: Shema parno-turbinske kogeneracije


Najjednostavniji i najei oblik, postrojenje protutlane turbine je

bazini proces gdje imamo paru proizvedenu u generatoru pare,

ekspandiranu u turbini i potom dovedenu do razvodnika koji odvodi

toplinu dalje u vrelovodni sustav.

Ekspanzija pare se vri do protutlaka s temperaturom zasienja.

Ovaj tip postrojenja prisutan je najee u industriji kod proizvodnje

topline i elektrine energije.

Postrojenja su jeftinija, a samim time i jednostavnije za odravanje i

upravljanje.

Potreba i potronja toplinske i elektrine energije varira tako da u

sluaju da imamo preveliku koliinu pare, viak moemo izbacivati

u atmosferu. Potreba koju imamo za toplinskom energijom u

pogonu odreivati e reim rada postrojenja.

Protutlani parno-turbinski sustav


Osnovne karakteristike plinskih turbinskih kogeneracija su sljedee:

- koriste se pri veim snagama: 1,6 do 10 MWe,

- imaju niu elektroenergetsku karakteristiku,

- imaju veu toplinsku karakteristiku u odnosu na motore,

- specifina potronja goriva po jedinici energije vea je nego kod motora,

- troi vie goriva s regulacijom optereenja po jedinici energije nego

motor,

- snaga ureaja se mijenja s promjenom okolne temperature,

- rade se u paketnoj (kontejnerskoj) izvedbi.

Plinsko-turbinski sustavi


Mogue su mnoge varijante CHP postrojenja s plinskim turbinama koje se

prilagouju raznim energetskim opskrbama, kao to su:

- CHP postrojenje s plinskom turbinom i apsorpcijskim rashladnim

ureajem,

- CHP postrojenje s plinskom turbinom i dodatnim loenjem,

- CHP postrojenje s plinskom i parnom turbinom (kombinirani proces).

Prvu industrijsku plinsku turbinu izradio je 1931. Brown Boveri.

U kasnim 1930-tim interes se usmjerio prema avionskoj propulziji.

Daljnji razvoj industrijskih plinskih turbina nastavio se poslije 2. svj. rata



Plinske turbine jednostavnog ciklusa (simple cycle gas turbine cogeneration system)



Primjer: Primjena u ciglanama



Na ispuh plinske turbine dodaje se kotao koji slui za proizvodnju pare

koja pak slui ili u industrijske svrhe ili za grijanje.

Temperature na izlazu iz plinske turbine su izuzetno visoke (do 600 C)

tako da mogu posluiti u daljnjoj proizvodnji pare.

Postrojenje plinske turbine s koritenjem otpadne topline

dimnih plinova:


HospitalsHospitalsHospitalsHospitals


Kombinirani plinsko-parni ciklus

Plinsko-parni sustavi



Shema izvedbe:


Kombinirani proces s integriranom

plinifikacijom


Kombinirani proces s hibridnom

tehnologijom


Motori s unutarnjim izgaranjem

Motori s unutarnjim izgaranjem su toplinski motori kod kojih se toplina

pretvara u mehaniki rad. Motori s unutarnjim izgaranjem se u CHP

postrojenjima mogu koristiti kao:

plinski motori (Otto),

dizelski motori,

plinsko-dizelski motori.

Prema broju okretaja motori mogu biti:

sporohodni 80-300 o/min,

srednjohodni 450-1000 o/min,

brzohodni 1200-3000 o/min.

Kod standardnih CHP najvie se koriste brzohodni motori.

Plinski su motori najprihvatljiviji CHP ureaji sa stajalita plinskih

distributivnih mrea jer ne zahtijevaju posebne opskrbne tlakove plina, te

se mogu opskrbljivati sa standardnim tokovima distribucije plina.


CHP sustav s dizelskim motorom

Primjer

kogeneracije s

dizel motorom


Tablica: Karakteristike motora SUI


Termodinamiki

ciklus Gorivo

Stupanj korisnosti, % Podruje snage el.

energije ukupni elektrini

Dizel Dizel ciklus Plin, bioplin, lako

ulje, teko ulje, .. 65 - 90 35 - 45 5 kW 20 MW

Otto Otto ciklus Plin, bioplin,

benzin

70 - 92 25 - 43 3 kW do > 6 MW

Prosjeni troak investicije u /kWel (dizel) 340 - 2000

Prosjeni troak investicije u /kWel (Otto) 450 - 2500

Troak rada i odravanja u /kWel 0,0075 0,015


Mali CHP sustavi

Malo CHP postrojenje je kogeneracijsko postrojenje prikljueno na

distributivnu mreu instalirane elektrine snage do 1 MWe.

Primjer: Kogeneracije na biomasu

CHP postrojenje koristi biomasu za proizvodnju elektrine i toplinske

energije u indirektnom plinsko turbinskom procesu.

Osnova sustava je klasina plinska turbina sa vanjskom komorom

izgaranja ija koncepcija omoguava da se zrak iz kompresora prije

uvoenje u turbinu odvede u vanjski dogrija zraka sa loenjem

biomase, te se tako dogrijan uvodi u turbinu. Ovim se omoguava da

plinska turbina umjesto sa plinovima izgaranja radi sa istim zagrijanim

zrakom ime se osigurava njen rad u idealnim radnim uvjetima te se

znaajno produava njen radni vijek.


Primjer: Kogeneracije na biomasu


8 MW postrojenje Toplana - energana (sa plinskim motorom)

Primjer: Kogeneracija s plinskim motorom

U Skandinaviji i

istonoj Europi energija

se kroz toplovode vodi

do lokalnih kuanstava.


Mikro CHP

Mikrokogeneracijsko postrojenje je CHP postrojenje prikljueno na

distributivnu mreu instalirane elektrine snage do 30 kWe.

Mikrokogeneracija je takoer naziv za distribuirani energijski izvor

(Distributed Energy Resource DER) i reda veliine je kuanstva ili

male proizvodne jedinice. Umjesto da se sve gorivo potroi na grijanje

dio se koristi i za proizvodnju elektrine energije. Ta se el. energija

moe koristiti unutar domainstva (obrta), ili uz doputenje mree

prodavati je natrag u istu.


Najvie gubitaka energije ima u prijenosu od distributera do potroaa,

meutim ti gubici su manji kod mikro CHP sustava.

Jo jedna prednost predaje elektrine energije u mreu je da se relativno

lako prati. Elektrino brojilo lako moe biljeiti koliko elektrine energije

izlazi i ulazi u sustav. Takoer biljei neto iznos energije koja ulazi u

sustav.

Glavna razlika u odnosu na veliku CHP je u radnim karakteristikama jer

kod veine industrijskih CHP sustava primarno se proizvodi elektrina

energija, dok je toplina posljedica te proizvodnje.

Kod mikro CHP primarna je proizvodnja toplinske energije.

Mikro CHP


PEMFC

SOFC

Motori SUI

Stirlingov ciklus Rankinov ciklus

Gorivne elije

Mikro CHP sustavi koriste razne tehnologije kao to su:

Mikro CHP

Mikroturbina


Tipine tehnoloke karakteristike malih CHP

Izvor: Vartiainen, E. et al, 2002; Gaia Group Oy, 2004; Obernberger, I., 2004

SUI motor Mikro turbina Stirling stroj ORC turbina Parna turbina

Kapacitet, kWe 15 - 10000 25 - 250 10 -150 200 1500 20 - 1000

Elektrina efikasnost, (%) 30 38 15 35 15 35 10 20 10 20

Toplinska efikasnost, % 45 -50 50 60 60 80 70 85 40 70

Ukupna efikasnost, % 75 85 75 85 80 90 85 95 75 85

Temperatura, C 85 100 85 100 60 80 80 100 85 120

ivotni vijek, tisue sati 25 - 60 50 - 75 50. 60 ? >50

Mikro CHP


Praktiki se svi vodom hlaeni generatori el. energije na plin ili dizel mogu

pretvoriti u CHP ureaje jednostavnim preusmjeravanjem kruga hlaenja

prema spremniku PTV-a.


Hondin mikro CHP ureaj

Glavni nedostaci proizvodnje el. i toplinske energije uz pomo CHP ureaja

su:

ogranieni radni vijek motora (do 4000 sati) koji se moe produljiti

servisiranjem,

buka pri radu.

Daljnim razvijanjem motora kao to su

Baxi/Dachs u Njemakoj i Honda/Ecowill

u Japanu preeni su izazovi emisije i

smanjenja buke te postignuti znaajni

intervali rada.


Gorivne elije su elektrokemijski ureaji za neposrednu pretvorbu

kemijske energije vodika i kisika u istosmjernu elektrinu energiju.

Osnovna fizika struktura (graevni blokovi) gorivnih elija sastoji se od

sloja elektrolita koji je u kontaktu s poroznom anodom i katodom sa svake

strane. Shematski prikaz gorivne elije prikazan je na slici 5.5. U

karakteristinoj gorivoj eliji, plinsko gorivo (bioplin) se kontinuirano

dodaje u anodni dio (negativna elektroda), a oksidans (tj. kisik iz zraka) se

kontinuirano dodaje u katodni dio (pozitivna elektroda). Na elektrodama

dolazi do elektrokemijske reakcije, pri emu se stvara elektrina energija.

Razliiti tipovi gorivnih elija zovu se prema tipu koritenog elektrolita, a

postoje nisko (AFC, PEM), srednje (PAFC) i visoko temperaturne gorive

elije (MCFC, SOFC). Izbor tipa gorivih elija ovisi o plinu koji se koristi i

iskoritavanju topline.

Gorivne elije


Gorivne elije

Efikasno isto Tiho

Elektrolit

(SOFC)

Anoda

Katoda

Metan

gorivo

Pretvorba metana

u H2 i CO

U reakciji s kisikom

stvara se elektrina energija

H2O i CO2

Zrak - ulaz

Toplina na

visokom

temperaturno

m nivou

Elektr.

energija 800C radna

temperatura O2- ioni kisika

Zrak izlaz

Troilo

Princip rada gorivnih elija (SOFC)


Organski Rankinov ciklus

ORC jedinica radi kao potpuno zatvoren proces koji koristi silikonsko ulje kao

organski radni fluid. Taj fluid isparava u isparivau uslijed zagrijavanja termikim

uljem te ekspandira u dvostupanjskoj aksijalnoj turbini direktno povezanoj na

generator.

glavne energetske pretvorbe odvijaju se na relativno niskim temp. razinama,

raspon snaga 0,1 do 3 MWe, el = 10 15 %

visoka ukupna uinkovitost ORC postrojenja (blizu 98%)

Radni fluid ostaje ist i ne izaziva koroziju

potpuna automatiziranost procesa, nema potrebe za radnim osobljem

(pokretanje i zaustavljanje procesa upravljano je i nadzirano PLC-ima, a

sinkronizacija na mreu je automatska)

niski trokovi rada i odravanja zbog automatskog voenja procesa

izmeu 50 i 100% optereenja gotovo nema odstupanja u elektrinoj

uinkovitosti

visoki investicijski trokovi, kod manjih postrojenja premauju 5.000 EUR/kWe.

radni medij zapaljiv na sobnim temperaturama

vie desetaka instalacija u Njemakoj, Austriji i Italiji

primjena u sustavu podrunog grijanja te drvopreraivakoj industriji.



Primjer Kogeneracijsko ORC postrojenje na biomasu

Izvor. BIOS Bioenergy Systems, Austria, 2003.


izumio 1815. god. Robert Stirling, kot

ima dva cilindra s klipovima (jedan je grijan, a drugi hlaen). Klipovi se

pokreu uslijed ekspanzije plina, koja je uzrokovana ubrizgavanjem

topline iz vanjskog izvora.

koristi inertni radni fluid, najee helij ili vodik, a radi prema naelu

zatvorenog termodinamikog ciklusa gdje se temperaturna razlika

pretvara u mehaniku i/ili elektrinu energiju.

Stirlingov motor iskoritava toplinu slino parnoj turbini, a zbog malih

snaga (najee do 35 kW), koristi se kao mikro CHP u kuanstvima.

bilo koji izvor topline moe biti koriten za njegovo pokretanje.

konkurentan za masovno trite zbog pouzdanosti, niske buke i

vibracija, malih emisija i dugog ivotnog vijeka.

Nedostatci: visoka cijena i niska elektrina uinkovitost (do 30%),

nemogunost trenutnog starta i promjene brzine vrtnje, jer treba

vremena da se ugrije cilindar prije mogunosti dobivanja rada.

Stirlingov motor


Stirlingov motor

Vie informacija na: http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine


Detalj kogeneracije sa Stirlingovim motorom na pelete (SUNMACHINE PELLET 23.800 )

Stirlingov motor

Ureaj u svojoj punoj snazi proizvodi 3 kW "zelene" elektrine energije i 10,5 kW

topline, to je dovoljno za zagrijavanje potrebe prosjene kue veliine cca. 250 m2.

Povrat investicije je oko 7 godina.


Table 3 Karakteristike Stirlingovog stroja

Izvor: G. Simader, et.al. Mikro- und Mini-KWK-Anlagen in sterreich, Report, Vienna, March 2004

Termodinami-

ki ciklus Gorivo

Stupanj korisnosti, % Podruje snage el.


Stirlingov

stroj

Stirlingov

ciklus

Prirodni plin, lako

ulje, alkohol, butan

..

65 - 95 ~ 25 3 kW 1,5 MW

Prosjeni troak investicije u /kWel 2500 4500 (za sisteme < 10 kW)

Troak rada i odravanja u /kWel Nije dostupno


Mikro turbina (plinska) djeluje slino kao i velika turbina, ali joj je elektrina

efikasnost samo oko 15%. No to se moe poveati ugradnjom izmjenjivaa

topline koji predgrijava zrak za izgaranje pomou topline izlaznih dimnih plinova.

Izvor: Bowman Power Systems Ltd. Postrojenje u Delmenhorst (Germany)

Mikro turbine (plinske)


Mikro-turbine


Table 2 Karakteristike mikro turbina

Izvor: G. Simader, Fuel cells and micro gas turbines for decentralised energy applications, studies for

STEWEAG/ESTAG company, Vienna, in the years 1997, 1998, 2001, 2002

Mikro turbine su jo uvijek skuplje od SUI motora. Zbog manje pokretnih dijelova,

manjih trokova rada i odravanja mogu se usporeivati s motorima SUI. ivotni

vijek mikro turbina je preko 40.000 sati rada.

Odnos El.

snaga /

toplina

Gorivo Stupanj korisnosti, %

Podruje snage el.


Mikro

turbina 0,2 0,8

Prirodni plin, lako

ulje, Kerozin, dizel,

bioplin, 65 - 90 15 - 30 15 kW 300 kW

Prosjeni troak investicije u /kWel 900 - 2500

Troak rada i odravanja u /kWel 0,006 0,21

Mikro turbine


Primjena mikro CHP sustava

Najprikladniji objekti za primjenu mikro CHP su oni kod kojih se toplinska

energija troi kontinuirano, dulji vremenski period tijekom dana, tjedna,

odnosno godine. Posebno je prikladno ako korisnici mikro CHP posjeduju

razna otpadna goriva (drvni ostaci) koji se mogu iskoristiti kao primarni

energent.

Primjerice mikro CHP predstavlja idealno rjeenje za veinu postojeih

kua gdje druge mjere energetske uinkovitosti ili nisu mogue ili su ve

primijenjene.

Moe se primijeniti u novim kuama, ali poboljana izolacija predstavlja

bolju ukupnu investiciju i trebala bi se prije uzimati u obzir nego mikro

CHP.

Za viestambena urbana naselja koja imaju manje gubitke topline, bolje

se prikljuiti na zajedniki sustav, pogotovo ako se koristi obnovljivi izvor

energije.


Najvie instaliranih mikrokogeneracijskih sustava ima u Japanu,

procjenjuje se preko 50 000 i veina njih ima Hondin MCHP motor.

Od 2002. godine u Velikoj Britaniji instalirano ih je oko 1000 i uglavnom

imaju "Whispergen" Stirling motore i Senertec Dachs klipne motore. U

Njemakoj je instalirano oko 3000 mikrokogeneracijskih sustava.

U Hrvatskoj je trite slabo razvijeno tako da je potencijal velik i

neiskoriten.

Primjena mikro CHP sustava


Koraci pri tehnikoj analizi CHP projekta su:

izbor odgovarajue tehnologije

identificirati mogue alternativne izvore energije uz CHP

dimenzioniranje odabranog CHP postrojenja tj.

odreivanje glavnih tehnikih ulaznih podataka

potrebnih za daljnju financijsku analizu CHP projekta

izbor reima rada

Projektiranje CHP sustava


Projektiranje CHP sustava


Potreba energije: koliko ? i kada?

to treba definirati?

Potrebnu energiju

Toplinsku energiju / potrebu pare

Potrebno hlaenje

Kako definirati potrebe za energijom?

Energetskim auditom koji moe izvriti konzultant

Vlastitom analizom i predvianjem

Treba razmotriti:

Mogue utede, mogue promjene u procesu,

povezivanje procesa, postojanju prostora za smjetaj

kogeneracijskog sustava, mogunosti povezivanja s

el. i toplinskim sustavom objekta i sl.

Budue energetske zahtjeve

Utvrivanje potreba za energijom


Potreba za elektrinom energijom

We (max) = 3 MW, We (min) = 1 MW

Te = 8000 sati

Potronja el. energije = 13,000 MWh



Potreba za toplinskom energijom

Qth (max) = 15 tona/sat, Qth (min) = 10 tona/sat pare 3 bar zasiene

Tth = 6000 sati

Potronja topline = 69,000 MWh



U mikro CHP sustavima mogu se koristiti razna goriva i izvori topline ije

karakteristike variraju ovisno o:

trokovima sustava

trokovima topline,

uinku na okoli,

dostupnosti,

lakoi transporta i skladitenja,

odravanju sustava i ivotnom vijeku.

Utvrivanje raspoloivih goriva

Analiza se zasniva na:

gorivima koji su dostupni dug vremenski period

zakonima koji vae za lokalnu zajednicu

cijeni goriva i oekivanim poskupljenjima

Rezultat analize raspoloivih goriva je lista raspoloivih goriva po

prioritetima.


Izvori topline i goriva koja se koriste su:

o biomasa,

o ukapljeni naftni plin,

o biljno ulje,

o solarni izvor topline,

o prirodni plin i drugi.

Izvori energije koji imaju najmanju emisiju su solarna energija,

biomasa i prirodni plin.

Veina kogeneracijskih sustava koriste prirodni plin zato to on brzo

izgara i ii je iako emitira CO2, jeftiniji, dostupan u veini podruja i

lako se transportira. Prikladan je za motore s unutrnjim izgaranjem

kao to je Otto motor i za plinske turbine jer izgara bez pepela, ae i

katrana.

Utvrivanje raspoloivih goriva


Izbor CHP tehnologije

Izvor: The Future of CHP in the European Market The European Cogeneration Study, May 2001

CCGT: Kombinirani ciklus plinske turbine

GE: Plinski motor

GT: Plinska turbina

OCGT: Otvoreni ciklus plinske turbine

ST: Parna turbina


Dimenzioniranje CHP postrojenja

Analiza toka energije

Izraun CHP korisnosti (uteda)

odreivanje kapaciteta kljune opreme (kotao, turbina,

motor SUI, generator,)

odreivanje kapaciteta dodatne opreme (kotao, )


Mikro CHP postrojenje moe biti voeno na nekoliko naina.

Da bi se dobili optimalni rezultati upotrebe postrojenja, odnosno da

bi se maksimalizirale utede energije i novca, potrebno je razmotriti

i usporediti osnovne strategije voenja mikro CHP postrojenja.

Osnovne strategije su:

1) Pokrivanje toplinskog optereenja

Mikro CHP postrojenje daje upravo onoliko topline koliko je potrebno

za zadovoljavanje ukupne toplinske potronje objekta. Ukoliko postoji

viak proizvedene elektrine energije ona se isporuuje u mreu, dok

se eventualni manjak uzima iz mree. Ova strategija daje najbolji

omjer trokova i uteda energije te na osnovu toga i najbolje

financijske performanse.

Strategije voenja mikro CHP postrojenja


2.) Pokrivanje potronje elektrine energije.

Proizvedena elektrina energija u svakom trenutku odgovara odnosno

potronji elektrine energije objekta kojem postrojenje slui kao izvor

energije. Ukoliko je toplina proizvedena u kogeneraciji manja od

toplinskog optereenja, manjak topline se nadoknauje klasinim

kotlom, dok se u sluaju vika proizvedene topline ona isputa u okoli.

3.) Mjeovito pokrivanje optereenja.

Kod mjeovitog pokrivanja postrojenje jedan period vremena pokriva

toplinsko optereenje, dok neki drugi period vremena pokriva elektrinu

potronju objekta. Da li e postrojenje raditi na jedan ili drugi nain

ovisi prije svega o ekonominosti rada postrojenja na pojedini nain.



4.) Otoni pogon

U svakom trenutku vremena kogeneracijsko postrojenje pokriva i

ukupno toplinsko optereenje i ukupnu potronju elektrine energije

objekta. Ovaj nain rada zahtijeva dimenzioniranje postrojenja na

nain da u svakom trenutku postoji dovoljno rezerve elektrinog i

toplinskog kapaciteta za sluaj vrnog optereenja.



Najvaniji ekonomski imbenici za izbor CHP postrojenja su:

kapitalni troak za opremu, radove i usluge,

trokovi financiranja,

trokovi amortizacije,

trokovi prikljuka na javnu elektrinu mreu i trokovi njezinog

koritenja,

trokovi prikljuka na plinovod ili trokovi izgradnje spremnika goriva,

trokovi pogona i odravanja

cijena goriva za kogeneraciju i cijena goriva za pomone sustave

(troak goriva predstavlja najznaajniji pogonski troak koji moe

dosei i do 80 % ukupnih trokova),

tarife za nabavu i prodaju elektrine energije,

Ekonomski model CHP projekata


Kapitalni troak sastoji se od sljedeeg:

Troak projektiranja postrojenja;

Troak CHP jedinice (ili vie njih) i pridruenog pogona,

Troak graevinskih radova

Trokovi povezivanja u elektrinu mreu;

Troak edukacija zaposlenika

Troak postavljenja, testiranje i putanje u pogon;

Troak rezervnih dijelova i posebnih alata;

Trokovi vezani za usklaenost sa relevantnom regulativom

(zahtjevi za zatitu okolia, vatrozatitu, itd.).

Prilagodba postojeeg sustava



0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Elektrina snaga MWe

Inv

es

tic

ija

EU

R/k

We

Sistem sa kombinovanim ciklusom

Sistem sa gasnom turbinom

Sistem sa parnom turbinom

Investicijski troak razliitih

sistema u ovisnosti o snazi



Pod povoljnim uvjetima CHP projekti mogu rezultirati vremenima

povrata od tri do pet godina.

Ekonomija CHP projekata je osjetljivija na promjene u cijeni elektrine

energije nego na promjene cijena goriva.

Analiza osjetljivosti treba biti sastavni dio studije izvodljivosti bez

obzira na metodu ekonomske analize.

Faktori koji djeluju povoljno na kratki period povrata su:

mali investicijski troak;

niska cijena goriva;

visoka cijena elektrine energije;

nia cijena goriva za CHP u usporedbi s cijenom goriva za

kotlove;

mnogo pogonskih sati;

visoka ukupna efikasnost CHP sustava.


Prednosti CHP

Visoka energetska efikasnost, te s time povezane ekoloke i

ekonomske prednosti. CHP predstavlja najefikasniji oblik

pretvorbe energije, kako s energetske toke gledita tako i s

gledita zatite okolia.

Smanjeni tetni utjecaj na okoli (posebno CO2, SO2 i NOx) jer iz

visoke energetske uinkovitosti i manje potronje primarnog

energenta proizlaze manja emisija tetnih tvari, manja koliina

otpadne topline i manja emisija buke.

Via konkurentnost gospodarstva proizlazi iz bolje iskoristivosti

goriva to rezultira niom proizvodnom cijenom elektrine

energije i topline.


Krajnji potroa moe prilagoditi ovaj sustav kao pomoni u sluaju

prekida opskrbe elektrinom energijom (vea sigurnost opskrbe

energijom).

Elektrina energija se distribuira lokalno, a ne od neke udaljene

elektrane, pa se smanjuju gubici u prijenosu, a time i trokovi.

Utjecaj jednog mikrokogeneracijskog sustava, globalno gledajui, je

zanemarivo mali. Meutim, instalacijom velikog broja ovakvih sustava ,

utjecaj na opskrbu elektrinom energijom i okoli e biti veliki. Svaki

mikro CHP sustav smanjit e oko 1.5 tona CO2 i proizvoditi e oko

3000 kWh elektrine energije godinje. Ako bi se, primjerice, na tritu

instaliralo 12 do 13 milijuna mikroCHP-a, proizvodilo bi se 12 do 22

GWe i istovremeno smanjila emisija CO2 za 20 milijuna tona godinje.

Prednosti CHP


Visoki investicijski trokovi jer u Republici Hrvatskoj jo uvijek nema

poticaja za kupnju samog ureaja.

Neke analize pokazuju da situacija na tritu malih kogeneracijskih

postrojenja u Europskoj Uniji nije povoljna. Kao glavne prepreke

veem ueu mikro CHP u ukupnoj proizvodnji elektrine i

toplinske energije, navode se:

Neadekvatne tarife ili potpuni nedostatak obaveze otkupa vikova

elektrine energije iz malih CHP postrojenja u javni

elektroenergetski sektor.

Dugotrajne i birokratizirane procedure za dobivanje potrebnih

dozvola i ovlatenja.

Nedostatak informacija o dobrim stranama mikro CHP postrojenja,

kao i nepoznavanje tehnologije

Nedostaci CHP


Sve vei udio decentraliziranih sustava grijanja (etano grijanje) u

stambenom sektoru .

Visoke cijene pristupa mrei te ograniavanje pristupa mrei.

Dug period povrata uloenih sredstava zbog uglavnom niskih cijena

elektrine energije kao posljedice liberalizacije trita te drugih

zakonodavnih okolnosti koje ne uzimaju u obzir ekoloke efekte koji

proizlaze iz vee efikasnosti malih kogeneracijskih postrojenja

Ovi faktori nisu prisutni u svim zemljama Europe.

CHP proizvodnja ima manju ukupnu emisiju od konvencionalne

proizvodnje, ali je povean lokalni utjecaj. Do toga dolazi zbog

injenice da je primjenom CHP, osim proizvodnje toplinske energije,

na lokaciju prenesena cjelokupna proizvodnja elektrine energije koja

se inae obavlja na nekoj udaljenoj lokaciji.

Nedostaci CHP

Documents

Mladen Bosnjakovic - KOGENERACIJA