Mogu}nost i opravdanost kori{}ewa supstitucije fosilnih ...termotehnika.vinca.rs/content/files/mogucnost-i-opravdanost-koriscenja-supstitucije...vodwi toplotne energije kori{}ewem

Vukman V. Baki}*, Valentina M. Turawanin,Ma rina P. Jovanovi}, Milada L. Pezo, Branislav D. Stankovi}

Laboratorija za termotehniku i energetiku,Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija

Mogu}nost i opravdanost kori{}ewasupstitucije fosilnih goriva sun~evomenergijom pri proizvodwi sanitarne tople vode

Stru~ni radUDC: 697.329

Glavni ciq ovog rada je razmatrawe mogu}nosti i opravdanostisupstitucije fosilnih goriva, pre svega gasa, sun~evom energijompri pripremi sanitarne tople vode kori{}ewem dinami~kih simu-lacija razmatranog energetskog sistema, a pri razli~itim radnim reæimima. Potro{na topla voda koja se koristi u letwem peri-odu isporu~uje se iz toplane „Cerak” u Beogradu. Toplana za proiz-vodwu potro{ne tople vode koristi fosilna goriva i to uglav-nom gas.

Kqu~ne re~i: hibridni sistem, dinami~ka simulacija, sun~eva energija

Uvod

Energetska situacija u svetu se naglo mewa. Cene nafte i prirodnog gasa

porasle su vi{e nego dva puta u posledwih nekoliko godina. Sa dana{wom tenden-

cijom, snabdevawe naftom i gasom }e biti oteæano usled pove}awa potro{we fo-

silnih goriva, a usled stalnog rasta potrebe za energijom. Tako|e usled potro{we

fosilnih goriva dolazi do zna~ajnih problema sa zaga|ewem okolne sredine i emi-

sije gasova staklene ba{te. Kori{}ewem solarne energije kao i drugih obnovqivih

izvora smawilo bi se kori{}ewe fosilnih goriva, a ujedno smawilo bi se emito-

vawe gasova staklene ba{te.

Dok cene nafte i gasa rastu, podaci pokazuju da se cena solarne termalne

opreme smawuje. Kori{}ewem solarne termalne energije ujedno se smawuje ener-

getska zavisnost od skupe uvozne energije. Prednosti kori{}ewa solarne energije

kao energetskog izvora koji se koristi za grejawe i proizvodwu potro{ne tople vode

V. V. Baki} i dr.: Mogu}nost i opravdanost kori{}ewa supstitucije ...TERMOTEHNIKA, 2010, XXXVI, 2-3, 257‡265

257

* Odgovorni autor; elektronska adresa: [email protected]

su slede}e: besplatna je i dostupna, ne zaga|uje okolinu (nema procesa sagorevawa,

odnosno emitovawa gasova sa efektom staklene ba{te kao {to su CO2, SO, NOx i

drugih), kombinovawem sa klasi~nim izvorima energije pove}ava stepen korisnosti

postrojewa i doprinosi odræivom razvoju. âk i da se uzmu u obzir stabilne cene

fosilnih energenata, postoji zna~ajan interes za instalirawe solarnog termalnog

sistema sa povra}ajem sredstava od 5 do 9 godina, a sa vekom trajawa solarnih sistema

od 20 do 25 godina.

Efikasan na~in kori{}ewa solarne energije je primena solarnih kolek-

tora u proizvodwi sanitarne tople vode i daqinskom grejawu. Toplana „Cerak” je

integralni deo JKP „Beogradske elektrane” i proizvodi i distribuira potro{nu

toplu vodu za potro{a~e u Beogradskim op{tinama ûkarica i Rakovica u periodu

od 15. aprila do 15. oktobra. Energetski dobici od sun~evog zra~ewa za Beograd su

zna~ajni [1–3].

Osnovni energenti koji se koriste u ovoj toplani su gas i mazut. Ukupna in-

stalisana snaga je 244,3 MW, od toga se za grejawe koristi oko 230 MW za proizvodwu

potro{ne tople vode oko 14,3 MW.

Instalisana snaga energetskkog sistema na TO „Cerak” za proizvodwu pot-

ro{ne tople vode u periodu od 15. aprila do 15. oktobra je oko 6 MW. Analizirana su

tri radna reæima toplane „Cerak”:

‡ projektovani radni reæim 65/22 °C sa protokom potro{ne tople vode od 120 m3/h,

gde je temepratura odlazne potro{ne vode 65 °C dok je temperatura potro{ne

tople vode u povratnom vodu 22 °C,

‡ sada{wi radni reæim 62/45 °C sa protokom potro{ne tople vode od 300 m3/h, i

‡ radni reæim nakon modernizacije podstanica 60/40 °C sa protokom potro{ne

tople vode od 250 m3/h.

Dinami~ka simulacija

Na sl. 1. prikazan je {ematski prikaz kombinovanog postrojewa (solarna

energija ‡ gas) za pripremu potro{ne tople vode na TO „Cerak”. Sve prikazane

komponente kombinovanog sistema date su odgovarju}im matemati~kim modelima iz-

raæenim diferencijalnim i algebarskim jedna~inama. Istovremenim re{avawem

ovih jedna~ina mogu}e je dobiti satne promene svih fizi~kih veli~ina koje karakte-

ri{u ovaj energetski sistem.

U ovom radu ura|ena je dinami~ka simulacija sistema energetskog sistema

prikazanog na sl. 1. Razmatran je kombinovani energetski sistem sa kolektorskim

poqem sa ravnim kolektorima od razli~itih proizvo|a~a [4–6], a koji ujedno imaju i

razli~ite krive korisnog dejstva i sa vakuumskim kolektorima. Povr{ina kolek-

torskog poqa iznosila je 5000 i 8000 m2. Ujedno je ura|ena i optimizacija kom bi-

novanog energetskog sistema sa ciqem dobijawa ve}ih energetskih dobitaka od

sun~evog zra~ewa promenom zapremine tanka i protoka potro{ne tople vode kroz

tank.

Kombinovano postrojewe za proizvodwu potro{rne tople vode sa sl. 1,

sastoji se od: kolektorskog poqa, akumulatora toplote, postoje}eg kotla na pri-


258

rodni gas, pumpe, razdelnika, sabirnika, upravqa~kog i regulacionog sistema, modu-

la sa meteorolo{kim podacima i mod ula koji generi{e razmatrani reæim. Simula-

cija je ra|ena u softverskom paketu TRNSYS16 [7] koji je specijalizovan za prora~u-

ne razli~itih energetskih sistema zasnovanom na objektnom programirawu, a koji u

sebi sadræi pojedina~ne komponente razmatranog energetskog sistema.

U prora~unu su kori{}eni podaci o intenzitetu sun~evog zra~ewa za

tipi~nu meteorolo{ku godinu (TMG), dobijeni iz softverskog paketa METEO-

NORM [8]. U obzir je uzet uticaj zasen~enosti kolektora u toku dana, pri ~emu je

bitno naglasiti da je ovaj uticaj razmatran samo za ravne plo~aste kolektore (firmi

NAU i GJ), zato {to je pretpostavqeno da se za kolektore sa vakuumskim cevima

uticaj ove pojave moæe zanemariti.

Rezultati dinami~ke simulacije

U tabl. 1. su date vrednosti ukupno dobijene koli~ine toplote kori{}ewem

kolektorskog dela sistema za posmatrani vremenski pe riod od 15. aprila do 15.

oktobra, koliko traje letwa sezona isporuke tople vode u TO „Cerak”. Prikazane su

vrednosti dinami~ke simulacije za sva tri tipa kolektora, dve povr{ine kolek-

torskog poqa i za sva tri reæima rada TO „Cerak”. Iz tabl. 1 se jasno uo~ava da su


259

Slika 1. [ematski prikaz kombinovanog postrojewa za proizvodwu tople vode

energetski dobici od ravnog kolektora firme NAU ve}i u odnosu na druga dva raz-

matrana kolektora, {to se vidi i sa sl. 2, gde je prikazan rezultat dinami~ke

simulacije za reæim 62/45 °C pri protoku vode od 300 m3/h i povr{ini kolektorskog

poqa od 5000 m2.

Prikazani dijagrami (sl. 3‡6)

pokazuju, kao i podaci o ukupno dobi-

jenim koli~inama toplote iz solarnih

kolektora, da se najboqi rezultati

dobijaju za projektovani radni reæim.

Me|utim, to predstavqa idealan re-

æim, koji u doglednoj budu}nosti nije

mogu}e ostvariti na TO „Cerak”, pa on

predstavqa samo pokazateq u kom sme-

ru treba da se kre}e budu}a moderni-

zacija toplane. Pore|ewe reæima

62/45 °C, 300 m3/h i 60/40 °C, 250 m3/h uka-

zuju da se pri kombinovanoj proiz-

vodwi toplotne energije kori{}ewem

so larnih kolektora i kotla na gas,

zavisno od kori{}enog tipa kolektora

i reæima rada, u{tede gasa kre}e u

rasponu od 7,58 do 17,89% za posmatra-

ni pe riod.

Uticaj veli~ine tanka na energetskekarakteristike hibridnog sistema

Uticaj veli~ine tanka i deo protoka vode koji }e pro}i kroz tank anali-

ziran je za sva tri radna reæima TO „Cerak” i za kolektorske povr{ine od 5000 m2 i


260

Slika 2. Pore|ewe dobijenih koli~inatoplote iz kolektora na mese~nom nivou

za reæim 62/45 °C, 300 m3/h,i ukupnu povr{inu od 5000 m2

Tablica 1. Koli~ina toplote dobijena iz kolektorskih poqaza pe riod od 15. aprila do 15. oktobra 2009. godine

Kolektorskapovr{ina

Kolektor62/45 °C300 m3/hQ [MJ]

65/22 °C120 m3/hQ [MJ]

60/40 °C250 m3/hQ [MJ]

5000 m2

(a) Apricus 8027643,65 9156964,94 8334249,71

(b) NAU 9718722,50 12367277,14 10351091,44

(v) GJ 9108189,88 11764167,75 9734093,43

8000 m2

(a) Apricus 13269442,36 14697198,87 13323830,17

(b) NAU 15658404,47 19170426,12 16535136,16

(v) GJ 14667954,09 18455514,62 15608099,25


261

Slika 3. Procentualno u~e{}e koli~ine toplote dobijene od kolektora tipa NAU i kotlau odnosu na ukupni toplotni kapacitet kombinovanog sistema za proizvodwu tople vode

za reæim 62/45 °C, 300 m3/h i ukupnu povr{inu (a) 5000 m2 i (b) 8000 m2

Slika 4. Procentualno u~e{}e koli~ine toplote dobijene od kolektora tipa NAU i kotla u odnosu na ukupni toplotni kapacitet kombinovanog sistema za proizvodwu tople vode

za reæim 65/22 °C, 120 m3/h i ukupnu povr{inu (a) 5000 m2 i (b) 8000 m2

Dobijene od kolektoraDobijene od kotla100

80

60

40

20

0

Kol

i~ina t

opl

ote

[%

]

4 5 6 7 8 9 10(a)Mesec

Reìm 60/40 °C25000 m

Dobijene od kolektoraDobijene od kotla

100

80

60

40

20

0

Kol

i~ina t

opl

ote

[%

]

(b)

Mesec4 5 6 7 8 9 10

Reìm 60/40 °C25000 m

Slika 5. Procentualno u~e{}e koli~ine toplote dobijene od kolektora tipa NAU i kotlau odnosu na ukupni toplotni kapacitet kombinovanog sistema za proizvodwu tople vode za

reæim 60/40 °C, 250 m3/h, i ukupnu povr{inu (a) 5000 m2 i (b) 8000 m2

8000 m2. Na sl. 6. prikazan je uticaj ovih parametara na energetske dobitke od

kolektora za mesec jul, za radni reæim 65/22 °C i protok sanitarne tople vode od 120

m3/h, gde pri koeficijentu k = 1,0 celokupni protok vode prolazi kroz tank, a na sl. 7.

prikazana je promena potrebne koli~ine toplote za zagrevawe vode dobijena od

kotla.

Sa sl. 6. jasno se uo~ava da sa porastom zapremine tanka i porastom protoka

sanitarne tople vode kroz tank rastu i energetski dobici od kolektorskog poqa.

Analizirawem rezultata sa sl. 5 i 6 uo~ava se da se sa porastom protoka vode kroz

tank smawuje potrebna koli~ina toplote iz kotla za dogrevawe potro{ne vode do

æeqene tem per a ture odnosno da se smawuje potro{wa gasa za ostvarivawe æeqenog

reæima. Tako|e sa sl. 7 uo~ava se da uticaj pove}awa zapremine tanka iznad 1200 m3

prakti~no ne uti~e bitno na smawewe potro{we gasa.


262

Slika 6. Koli~ina toplote dobijena od kolektora tipa NAU za povr{ine kolektorskogpoqa od 5000 m2 (levo) i 8000 m2 (desno) u zavisnosti od zapremine tanka i protoka vode

kroz tank pri radnom reæimu 65/22 °C

Slika 7. Potrebna koli~ina toplote dobijena iz kotla pri povr{ini kolektorskog poqaod 5000 m2 (levo) i 8000 m2 (desno) u zavisnosti od zapremine tanka i protoka vode

kroz tank pri radnom reæimu 65/22 °C

Smawewe emisije SO2 usled smawene potro{we gasa

Republika Srbija je ratifikovala Kjoto protokol, prema kome ne pripada

grupi zemaqa iz ANEKS-a. Time je stvorena {ansa za ukqu~ivawe ovakve vrste pro-

jekta u projekte mehanizma ~istog razvoja (Clean De vel op ment Mech a nism), po{to

postavqawe i kori{}ewe termalnih kolektora sun~eve energije dovodi do smawewa

potro{we fosilnih goriva i emisije CO2.

Prema [9] sagoreva-

wem prirodnog gasa oslo-

bodi se 50,33 kg CO2/GJ

energije goriva. Na osno-

vu rezultata dobijenih

simulacijom za razli~ite

vrste i razli~ite povr-

{ine kolektora, prora-

~unato je smawewe emisi-

je CO2 za pe riod letweg

reæima rada toplane. U

tabl. 2‡4 su date vrednos-

ti smawewe emisije CO2

za sve simulirane slu~a-

jeve.

Zakqu~ak

U krugu toplane „Ce-

rak” postoji dovoqno

prostora za ugradwu so-

larnih kolektora povr-

{ine do 5000 m2 bez zna-

~ajnih ulagawa u pripre-

mu prostora za postavqa-

we kolektorskih poqa sa

mogu}no{}u kupovine do-

datnog zemqi{ta i insta-

lisawa 8000 m2. Ura|ena

je simulacija za kombino-

vani sistem za proizvod-

wu potro{ne tople vode

za dve povr{ine kolektorskih poqa od 5000 m2 i 8000 m2 tokom letweg reæima rada

TO „Cerak”. Razmatrana su tri mogu}a reæima rada kombinovanog sistema za zadati

toplotni konzum od 6 MW: sada{wi 62/45 °C sa protokom od 300 m3/h tople vode,

projektovani sa 65/22 °C sa protokom od 120 m3/h i budu}i 60/40 °C sa protokom od 250

m3/h, koji }e biti ostvaren nakon predvi|enih rekonstrukcija i poboq{awa


263

Tablica 2. Smawewe emisije CO2 za reæim 62/45 °C, 300 m3/h

Smawewe emisije SO2 (tona godi{we)

KolektorKolektorska

povr{ina 5000 m2Kolektorska

povr{ina 8000 m2

Apricus 453,97 750,39

NAU 549,60 885,49

GJ 515,07 829,48



KolektorKolektorska


povr{ina 8000 m2

Apricus 517,83 831,13

NAU 699,38 1084,10

GJ 665,27 1043,67



KolektorKolektorska


povr{ina 8000 m2

Apricus 471,31 753,47

NAU 585,36 935,07

GJ 550,47 882,65

celokupnog sistema TO „Cerak”. Dinami~ka simulacija ura|ena je za razli~ite

tipove kolektora.

Analiza dobijenih rezultata je pokazala da je u{teda gasa srazmerna povr-

{ini postavqenih kolektora, jer su tokom leta zna~ajni dobici od sun~evog zra~e-

wa. U zavisnosti od vrste kolektora i reæima rada u{teda gasa se kre}e u rasponu od

7,58 do 17,89% za posmatrani pe riod od 15. aprila do 15. oktobra.

Od analiziranih tri vrsta kolektora, simulacija kombinovanog sistema sa

ravanskim kolektorom tipa NAU pokazala je prednost ovog kolektora u odnosu na

ostala dva kolektora sa tehnoekonomskog stanovi{ta, stoga je optimiziran kom bi-

novani energetski sistem sa kolektorima firme NAU.

Ugradwom solarnih kolektora smawila bi se emisija {tetnih gasova,

pogotovu CO2 {to zna~ajno uti~e na za{titu ~ovekove okoline i doprinosi zdravqu

qudi. Pored toga, smawewe emisije CO2 ima, u okviru EU, a prema Kjoto protokolu, i

svoju træi{nu vrednost i stvara mogu}nost konkurisawa za CDM projekte.

Simulacija je pokazala da predvi|ena modernizacija podstanica tako|e

smawuje pe riod isplativosti i omogu}ava boqe iskori{}ewe solarnog sistema u

okviru TO „Cerak”.

Literatura

[1] Lambi}, M., Solarni ure|aji, Tehni~ka kwiga, Beograd, 1987.[2] Lalovi}, B., Nasu{no Sunce, Nolit, Beograd, 1982.[3] Gbur~ik, P., Studija energetskog potencijala Srbije za kori{}ewe sun~evog zra~e-

wa i energije vetra, Ministarstvo nauke i za{tite æivotne sredine, Beograd, 2004.[4] www.apricus.com[5] www.nau.gmbh.de[6] www.arcon.dk[7] www.trnsys.com (TRNSYS16)[8] METEONORM 5.0, Global Me te o ro log i cal Da ta base for So lar En ergy and Ap plied

Meteorology, METEOTEST, Bern, Swit zer land, 2006[9] www.naturalgas.org/en vi ron ment/naturalgas.asp


264

Ab stract

Op por tu nity and Jus ti fi ca tion of Use Fos silFu els Sub sti tu tion by So lar En ergy inPro duc tion of San i tary Hot Wa ter

by

Vukman V. BAKI]*, Valentina M. TURANJANIN,Ma rina P. JOVANOVI], Milada L. PEZO and Branislav D. STANKOVI]

Lab o ra tory for Ther mal En gi neer ing and En ergy,Vin~a In sti tute of Nuclear Sci ences, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia

The main aim of this pa per is to con sider the pos si bil ity and fea si bil ity sub sti tu -tion of fos sil fu els, par tic u larly nat u ral gas, by so lar en ergy in the prep a ra tion of san i taryhot wa ter us ing dy namic sim u la tion of power sys tems at dif fer ent work ing re gimes. Do -mes tic hot wa ter used in sum mer co mes from heat ing plant “Cerak” in Bel grade. Heat ingplant for the pro duc tion of do mes tic hot wa ter us ing fos sil fu els, mostly gas.

Key words: hy brid sys tem, dy namic sim u la tion, so lar en ergy

*Cor re spond ing au thor; e-mail: [email protected]

Rad primqen: 15. juna 2010.Rad revidiran: 28. septembra 2010.Rad prihva}en: 1. oktobra 2010.


265

Documents

Mogu}nost i opravdanost kori{}ewa supstitucije fosilnih ...termotehnika.vinca.rs/content/files/mogucnost-i-opravdanost-koriscenja-supstitucije...vodwi toplotne energije kori{}ewem