Kogeneracja technologią dla przemysłu - skojarzona produkcja energii elektrycznej, ciepła i chłodu, część 1

Fot. 1. Agregaty kogeneracyjne Cento T100 firmy Tedom zasilane gazem ziemnym

Kogenerację (Combined Heat and Power, CHP) zaczęto wykorzystywać w USA i w Europie w latach 80. XIX wieku. Wkrótce zakłady przemysłowe już powszechnie wyposażano w opalane węglem kotły, z których para zasilała turbiny parowe oraz zapewniała możliwość przeprowadzania różnych procesów przemysłowych. Z czasem jednak, w miarę jak rozwijała się sieć energetyczna, koszty energii zaczęły spadać i coraz więcej zakładów przemysłowych zaopatrywało się w energię z sieci publicznej, rezygnując z produkcji własnej.

Z tego powodu udział energii uzyskiwanej w procesie kogeneracji w jej całkowitej produkcji energii stopniowo malał, osiągając minimum w latach 70. ubiegłego wieku. Wówczas jednak sytuacja kolejny raz uległa zmianie w związku z kryzysem na rynku paliw. Gdy ceny surowców energetycznych rosły, rozwiązania energooszczędne takie jak kogeneracja ponownie znalazły się w centrum zainteresowania. W tradycyjnych metodach produkcji energii elektrycznej bowiem często zaledwie 30-40% energii paliwa jest przetwarzane w energię użyteczną, podczas gdy reszta jest tracona, głównie poprzez emisję ciepła (rys. 1).

W przypadku kogeneracji ciepło to jest przekazywane dalej za pośrednictwem różnych mediów, w tym podgrzewanej wody, pary lub gorącego powietrza, dzięki czemu sprawność energetyczna całego systemu sięga nawet 90% (rys. 2). Unika się też strat w procesie przesyłu energii, ponieważ systemy kogeneracji instaluje się z reguły na miejscu lub w pobliżu potencjalnych odbiorców. Tak wydajne zużycie paliwa pozwala na duże oszczędności.

Dodatkowo rozwiązania kogeneracyjne wnoszą istotny wkład w ograniczenie emisji substancji szkodliwych do środowiska, w szczególności gazów cieplarnianych, dzięki czemu ich właściciele mogą np. uczestniczyć w programach wsparcia dla technologii ekologicznych (patrz ramka). Z punktu widzenia przedsiębiorców ważna też jest możliwość uniezależnienia się od dostawców energii elektrycznej, co pozwala uniknąć przerw lub zastojów w produkcji spowodowanych awarią zasilania. Nadwyżki wyprodukowanej energii elektrycznej można też sprzedawać.

Klasyfikacja

Systemy kogeneracji można umownie podzielić ze względu na wartość wyjściowej mocy elektrycznej na instalacje poniżej kilku MW, zaliczane do kogeneracji małej skali, w tym poniżej 100kW, czyli tzw. mikrokogenerację, oraz powyżej kilku MW, czyli systemy duże. W przypadku ostatniej grupy zazwyczaj sprzęt jest dobierany indywidualnie do potrzeb danej instalacji, natomiast w systemach mniejszej skali najczęściej używa się standardowo wyposażanych agregatów kogeneracyjnych.

Rys. 1.

Rys. 2.

Bez względu na skalę instalacji system kogeneracji składa się jednak z kilku podstawowych komponentów, w tym napędu zasilającego generator elektryczny i wytwarzającego ciepło użyteczne odzyskiwane następnie np. w tzw. kotłach odzyskowych lub za pośrednictwem wymienników ciepła. Jego pracą steruje układ automatyki, którego zadaniem, oprócz kontroli pracy systemu, jest często monitorowanie zapotrzebowania na energię i dostosowywanie do niego wydajności urządzeń.

Kogeneracja a przepisy unijne W 2004 roku Parlament Europejski wydał dyrektywę w sprawie wspierania kogeneracji. W jej wstępie napisano, że potencjał kogeneracji jako metody oszczędzania energii nie jest w państwach UE wykorzystywany w wystarczającym stopniu, co należy zmienić, promując tę technologię na różne sposoby. Tabela 1. Technologie kogeneracyjne W związku z postanowieniami dyrektywy, jako jeden z mechanizmów wspierania przedsiębiorców inwestujących w kogenerację w Polsce, wprowadzono system tzw. czerwonych oraz żółtych (kogeneracja gazowa) certyfikatów, wydawanych przez Urząd Regulacji Energetyki. Są to świadectwa pochodzenia energii z kogeneracji, które można sprzedawać na towarowej giełdzie energii. Na początku 2010 roku URE wydał tysięczny certyfikat, licząc od lipca 2007, gdy system certyfikatów zaczął obowiązywać.

W systemach CHP wykorzystuje się różne napędy. Niektóre technologie są znane i używane w kogeneracji od dawna, natomiast inne dopiero wkraczają na ten rynek. Do pierwszej grupy zalicza się przede wszystkim turbiny parowe, turbiny gazowe, silniki spalinowe tłokowe oraz systemy łączone, czyli kombinację turbin obu typów. Wśród nowości wymienia się natomiast głównie ogniwa paliwowe, silniki Stirlinga oraz mikroturbiny, które wykorzystywane są przeważnie w mikrokogeneracji. W pierwszej części artykułu pokrótce omówimy wszystkie wymienione komponenty, które stanowią niejako serce większości pracujących obecnie systemów kogeneracyjnych.