Dla właściwej aplikacji przemysłowej – a jest ich wiele – kogeneracja lub inaczej technologia skojarzonej produkcji cieplnej i elektrycznej (ang. CHP – combined heat and power) wykorzystująca gaz naturalny jest idealnym rozwiązaniem.
Koncepcja jest prosta. Przemysłowy silnik spalinowy napędza generator. Ciepło wytworzone przez silnik jest wykorzystane do podgrzania wody. Ten sposób wykorzystania paliwa jest bardziej wydajny niż oddzielne jego kupowanie w celu wytworzenia prądu i oddzielne w celu podgrzania wody.
Pozytywne postrzeganie kogeneracji
Kogeneracja jest coraz częściej widziana jako rozsądne rozwiązanie dla użytkowników energii, a szczególnie tych, którzy wykorzystują znaczne ilości gorącej wody. Elektrownia cieplna wykorzystująca spalanie węgla, oleju napędowego, paliwo jądrowe, turbiny gazowe lub silniki – wytwarza duże ilości ciepła będącego efektem ubocznym procesu wytwarzania energii elektrycznej. Około dwóch trzecich tej energii jest niewykorzystywane. Przemieszczając źródło energii blisko obiektu przemysłowego lub użytkownika indywidualnego, energia ta może zostać wykorzystana do podgrzania wody, wytworzenia pary lub do innych zastosowań. Może nawet wspierać system chłodzenia.
Obecnie dostawcy układów CHP oferują zespoły odzyskiwania energii pozwalające użytkownikowi wykorzystać 90% zakupionej energii. Wydłużenie okresów pomiędzy konserwacjami silnika i ulepszonym systemem odzyskiwania ciepła sprawia, że systemy te są bardziej atrakcyjne niż kiedykolwiek dotąd.
Rosnący potencjał na rynku energii
Firma CENERGY oferuje kompaktowe rozwiązania firmy MAN w zakresie od 265 do 450 kWe. – Podczas gdy ponad 20% energii elektrycznej wytwarzanej w większości państw europejskich i azjatyckich jest otrzymywane za pomocą układów kogeneracyjnych, to w Ameryce Północnej liczba ta jest mniejsza niż 10% – podkreśla Michael Turwit z CENERGY. Tak więc potencjał do wzrostu jest ogromny. Truwit wskazuje także, że 96% potencjalnego rynku dla układów kogeneracyjnych stanowią układy mniejsze niż 500 kWe. Jest to według niego zakres, dla którego układy te stanowią atrakcyjne rozwiązanie.
Podwyższona sprawność zwiększa atrakcyjność układów kogeneracyjnych
Turwit zauważa również, że wydajność wytwarzania energii elektrycznej nowych systemów napędzanych silnikami w porównaniu do tych wytwarzanych w późniejszych latach 80. wzrosła od około 30% do ponad 40% w najlepszych obecnie produkowanych systemach. Sprawia to, że jednostki te są szczególnie atrakcyjne dla użytkowników energii w regionach, gdzie koszty energii elektrycznej w przemyśle stale wzrastają. Układy kogeneracyjne MAN zawierają zespół Agenitor o mocy 265 kWe oraz najnowszą ofertę – Agenitor 450 kWe. Jednostki te pracują z wydajnością cieplną wynoszącą około 88% i są wysyłane kompletnie zmontowane oraz fabrycznie przetestowane. Są gotowe do podłączenia linii elektrycznej, układu podgrzewania wody i źródła gazu naturalnego w elektrowni.
– W przemyśle rozdziału energii elektrycznej nie ma nic ważniejszego od wydajności systemów CHP i trwałości urządzeń – powiedział Truwit. Twierdzi on, że jednostki MAN są wysoce niezawodne i dostępne, a pierwszy przegląd jest planowany po 30 tysiącach godzin pracy, natomiast przegląd generalny po 60 tysiącach godzin. Firma CENERGY zainstalowała już ponad 1000 systemów kogeneracyjnych na całym świecie i zaczęła zaznaczać swoją obecność w Ameryce Północnej, lokując swoją sprzedaż i serwis w Jacksonville na Florydzie.
Idealne dla właściwego klienta
Jeffery Glick jest regionalnym dyrektorem sprzedaży w firmie Tecogen, następnym ważnym dostawcą systemów kogeneracyjnych. Wyjaśnia on, że moduły CHP są idealnym rozwiązaniem dla klientów mających duże i stałe zapotrzebowanie na gorącą wodę. Zakres oferowany przez Tecogen zaczyna się od 60 kW, a kończy na 100 kW.
Glick zauważa także, że zastosowanie wielu jednostek zapewnia redundancję, pozwala na lepsze wykorzystanie przy częściowym obciążeniu oraz większą elastyczność pracy. – Na przykład pozwala to serwisowi na pracę przy jednym urządzeniu bez konieczności wyłączania całej elektrowni kogeneracyjnej. W ostatnich kilku latach typowa instalacja, w której mieliśmy swój udział, miała średnią moc od około 400 do 500 kW.
Jak zacząć?
Glick mówi, że jego firma może wykonać początkową analizę wykonalności dla potencjalnego klienta. – Prosimy o kopie rachunków za energię elektryczną i gaz. W oparciu o historię zużycia prądu i gazu możemy określić, jak dużą fabrykę trzeba będzie zasilać. Glick podkreśla, że podstawową sprawą jest nieprzewymiarowanie zakładu w ten sposób, że jednostki stoją bezczynnie wtedy, gdy nie ma zapotrzebowania na gorącą wodę. – Jeśli określimy, że występuje wystarczające zapotrzebowanie na gorącą wodę, a rachunki za energię elektryczną są wystarczająco wysokie, wtedy następnym krokiem jest zatrudnienie wyspecjalizowanej firmy inżynierskiej. Firma ta przygotuje dokładne opracowanie rentowności i będzie w stanie dostarczyć użytkownikowi zarówno końcową wycenę całej instalacji, jak i spodziewane oszczędności.
Rosnące zainteresowanie w Ameryce Północnej
Według Bena Rossa, dyrektora produktu systemów kogeneracyjnych firmy Waukesha, zapotrzebowanie na gotowe systemy przeznaczone do aplikacji przemysłowych w Ameryce Północnej stale wzrasta. – Rynek wciąż nie został tak dobrze rozpoznany jak w Europie, lecz zainteresowanie ciągle rośnie. Klienci korzystający z energii wytwarzanej przez elektrownie wykazują zainteresowanie w kierunku systemów kogeneracyjnych, a szczególnie układami 500–1000 kWe. Nasze doświadczenie mówi, że poszukują oni rozwiązań typu plug and play pasujących do aktualnego szablonu zużycia energii i gorącej wody.
Ross zauważa także, że kluczem do wyboru właściwego układu jest zazwyczaj rozpoczęcie od zbadania zapotrzebowania na gorącą wodę i dobranie mocy właśnie w oparciu o te dane. – To podejście różni się od tego, w jaki sposób większość osób myśli, ale chodzi o to, że musisz ekonomicznie zarządzać zapotrzebowaniem na gorącą wodę w swojej firmie. W przypadku jednostek o większej mocy, jeżeli zdarza się, że masz chwilowe nadwyżki energii w ciągu dnia lub roku, wtedy możesz sprzedawać energię operatorowi sieci. Ross mówi także, że w instalacjach o zróżnicowanym zapotrzebowaniu na gorącą wodę w ciągu dnia, możliwe jest magazynowanie jej w dużym zbiorniku i użycie we właściwym momencie.
Nowa oferta na wydajne układy kogeneracyjne
Firma Waukesha oferuje nowe kompaktowe układy kogeneracyjne APG1000, które napędza 16-cylindrowy silnik o jednej z największych wydajności w swojej klasie na świecie. Jego wydajność wytwarzania energii elektrycznej to 42%. Silnik charakteryzuje także niskie wydzielanie spalin oraz wysoka zdolność magazynowania ciepła z korpusu. Według Rossa praktyczne jest użycie ubocznego produktu, jakim jest ciepło wydalane z układu wydechowego do wytworzenia pary oraz ciepła z korpusu do podgrzania wody do temperatur osiągających do 110°C. Jednostka jest także elastyczna pod względem wykonania projektu i może alternatywnie wytwarzać większą ilość gorącej wody o niższej temperaturze. Dodatkowo do APG1000 Waukesha oferuje inne układy kogeneracyjne o rozmiarach od 475 kWe do 3,5 MWe. Wszystkie są dostępne w wersjach dla 50 Hz i 60 Hz.
Redukcja wydzielania dwutlenku węgla
Ross uważa, że rosnąca liczba użytkowników energii elektrycznej poszukuje sposobów na zredukowanie wydzielania dwutlenku węgla. – Układy kogeneracyjne napędzane gazem naturalnym oferują znaczące redukcje w wydzielaniu dwutlenku węgla w porównaniu do poboru energii z konwencjonalnych elektrowni węglowych. Często całkowita emisja dwutlenku węgla stanowi połowę lub mniej w porównaniu do elektrowni konwencjonalnej.
Podkreśla on, że gorąca woda z układu kogeneracyjnego może być wykorzystana w wielu aplikacjach przemysłowych. Dodaje także, że jedna z aplikacji, o której czasami się zapomina, zużywa gorącą wodę do zasilania chłodziarek absorpcyjnych w celu spełnienia wymagań procesu otrzymywania zimnej wody. Niektóre chłodziarki absorpcyjne mogą korzystać z wody, której temperatura wynosi nawet około 70°C.
Zasilanie ważnego lotniska
Przykładem ważnego projektu, w którym do zasilania elektrycznością oraz gorącą wodą wybrano rozwiązanie z układem kogeneracyjnym, jest lotnisko Bradley International Airport w Windsor Locks, Connecticut. Obiekt został zaprojektowany i zbudowany przez firmę Ameresco. Ta sama firma zarządza i utrzymuje zakład produkujący energię oraz powiązany z nim zakład produkcji wody chłodniczej. Zakład pracuje od 2002 roku i korzysta z czterech generatorów firmy Waukesha. Silniki napędzające generatory zostały dostarczone przez dystrybutora Dresser Waukesha, firmę Kraft Power Corporation z Woburn w stanie Massachusetts. Ciepło jako produkt uboczny jest wykorzystywane do zasilania jednostopniowej chłodziarki firmy Trane o mocy chłodniczej 500 ton, zapewniającej zimną wodę dla lotniska przez cały rok.
Według Richarda Oguricka, dyrektora operacyjnego w firmie Ameresco, było wiele powodów do zaimplementowania układu CHP. – Lotnisko chciało obniżyć koszty swojej działalności oraz potrzebowało gorącej wody dla chłodni. Następnie chciano zwiększyć niezawodność zasilania energią elektryczną, ponieważ spotykano się z przerwami w dostawach energii ze strony głównego dostawcy energii. Układ kogeneracyjny spełnił wszystkie ich oczekiwania. Pierwotnie w 2002 roku zakład miał trzy silniki VHP firmy Wakuesha składające się na całkowitą moc 3,9 MWe. Dwa lata temu zakład dodał czwarty silnik tej samej firmy APG2000 o mocy 1,9 MWe.
Czy przejęcie całego obciążenia jest możliwe?
Zakład pracuje równolegle z zakładem energetycznym, ale normalnie korzysta z energii wytworzonej na swoim terenie. – Całkowite zapotrzebowanie lotniska na energię elektryczną może być zapewnione przez układy generatorowe. Ponieważ ciepło odbierane z silników jest wykorzystywane do chłodzenia absorpcyjnego w lecie i do ogrzewania w zimie, to ogólne koszty energii są niższe niż w konwencjonalnej elektrociepłowni lub chłodni – mówi Ogurick. Zauważa on także, że energia zużyta do wytworzenia energii elektrycznej zapewnia jednocześnie chłodzenie i ogrzewanie, co sprawia, że ślad węglowy zostaje także znacznie zredukowany.
Znaczenie konserwacji
Ogurick doradza tym, którzy rozważają instalację układu CHP, aby dokładnie oszacowali zapotrzebowanie na gorącą wodę, ponieważ często to zużycie gorącej wody determinuje opłacalność działalności firmy. Dodatkowo podkreśla znaczenie niebagatelizowania przygotowania harmonogramu konserwacji urządzeń. – Prawidłowo utrzymywana maszyna może produkować energię dobrej jakości, lecz jeśli konserwacja nie będzie przeprowadzana terminowo, wtedy pojawią się problemy.
Wniosek jest następujący: jeśli zakład przemysłowy lub inna firma potrzebuje energii elektrycznej i gorącej wody, to jest szansa, że zainstalowanie układu kogeneracyjnego zasilanego gazem naturalnym ma uzasadnienie ekonomiczne. Doświadczony inżynier energetyk może dokonać obliczeń i dobrać odpowiedni układ CHP.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
