Transformacja ciepłownictwa dzięki zastosowaniu hybrydowego układu. Połączono trzy innowacyjne rozwiązania

Polskie ciepłownie, szczególnie te zlokalizowane w mniejszych aglomeracjach, przez lata korzystały z kogeneracyjnych agregatów tłokowych. Obecnie stoją przed wyzwaniem dekarbonizacji większych układów ciepłowniczych o mocach zamówionych powyżej 20 MWt. Dlatego konieczne jest spełnienie przez zakłady ciepłownicze wymagań Efektywnego Systemu Ciepłowniczego.

Efektywny system ciepłowniczy – czyli co?

Za efektywny energetycznie system ciepłowniczy uważamy taki, w którym do produkcji ciepła wykorzystuje się co najmniej 50% odnawialnych źródeł energii. Jego założenia zawarte są w dyrektywie w sprawie sprawności energetycznej z roku 2023 i mają być zrealizowane do końca 2025 roku.

Z kolei do roku 2030 kraje Unii mają wspólnie zmniejszyć zużycie energii o co najmniej 11,7%, obniżając zużycie energii końcowej do 763 Mtoe, a energii pierwotnej do 992,5 Mtoe. Stanowi to wyzwanie, zwłaszcza dla polskiego przemysłu i ciepłownictwa, które w dużej mierze opiera się na mocach węglowych.

Koncepcja Układu hybrydowego – Eneria case study

W odpowiedzi na zapytanie ofertowe przedsiębiorstwa energetyki cieplnej, Eneria przygotowała koncepcję kompleksowej dekarbonizacji mocy wytwórczych. W omawianej ciepłowni używanych jest 8 kotłów węglowych o łącznej mocy 98 MWt. Ten układ dostarcza energię cieplną zarówno do odbiorców indywidualnych, jak i obiektów użyteczności publicznej. W ramach analizy różnych technologii, postawiono sobie za zadanie spełnienie następujących założeń:

1. Zastąpienie obecnych mocy wytwórczych.
2. Utrzymanie cen ciepła systemowego.
3. Możliwość rozbudowy układu poprzez skalowanie.
4. Zgodność z wymaganiami efektywnego systemu ciepłowniczego po 2028 roku.
5. Dywersyfikacja przychodów (sprzedaż energii elektrycznej).
6. Zapewnienie samofinansowania przedsiębiorstwa.
7. Dostępność 60 MW gazu bez możliwości zwiększenia przesyłu.
8. Budżet do 150 milionów złotych.

Jako wariant najlepiej wpasowujący się w profil spełniający powyższe warunki brzegowe, Eneria zaproponowała układ oparty na następujących elementach:

• Układy kogeneracyjne zbudowane w oparciu o turbiny gazowe Caterpillar Solar Turbines.
• Kotły gazowe szczytowe.
• Akumulator ciepła.
• Źródło wytwórcze OZE zbudowane w oparciu o kolektory słoneczne TVP Solar.

Układ Kogeneracyjny – Turbiny Gazowe

Jako dystrybutor urządzeń Caterpillar w Polsce, Eneria przeanalizowała również możliwość zastosowania silników gazowych CAT. Nie dostrzegła jednak zasadności ich zastosowania. Przy dużych mocach zdaniem inżynierów Enerii nie jest to rozwiązanie ekonomiczne. Silniki gazowe doskonale sprawdzają się w układach o mniejszych mocach, poniżej 5 MWt. W przypadku tak kompleksowej dekarbonizacji przy niedużej ilości dostępnego gazu, takie rozwiązanie nie tylko jest droższe, ale również nie spełniłoby wymagań Efektywnego Systemu Ciepłowniczego.

W niniejszej koncepcji zaprezentowane zostały dwa warianty, które są najkorzystniejsze ze względu na nakłady i profil pracy przedsiębiorstwa. Obydwie opcje są wyposażone w możliwość zasilania olejem napędowym w celu zapewnienia pokrycia mocy zamówionej przy niewystarczającej ilości paliwa gazowego. Spalanie oleju napędowego w kogeneracji pozwala na uniknięcie akcyzy i sprzedaż energii elektrycznej. Jednak olej trzeba regularnie zużywać, aby uniknąć jego degradacji.

Wariant 1:

• 2x Turbina Gazowa Mars 100 o mocy 10,3 MWe i 19 MWt.

Wariant 2:

• 3x Turbina Gazowa Taurus 60 o mocy 5,67 MWe i 12 MWt.

Dla obydwu wariantów inżynierowie Enerii przewidzieli współpracę z akumulatorem ciepła. Dodatkowo, zaproponowano wykorzystanie gotowych zabudowanych turbin gazowych w kontenerze PGM (Power Generation Module). Wybór tego produktu pozwala skrócić czas realizacji, prace projektowe i budowlane, ponieważ PGM to turbina gazowa wraz z niezbędnymi instalacjami, gotowa do pracy w ciągu kilku dni od jej instalacji u klienta. Produkt ten występuje w mocach od 3,5 MWe do 16,5 MWe.

Korzyści wynikające z wyboru tego rozwiązania to:

• Źródło energii na którym można polegać.
• Droga do dekarbonizacji.
• Rozwiązanie wsparte szeregiem autorskich systemów IT.
• Efektywna kogeneracja.
• Najniższe emisje i zużycie paliwa.
• Kompaktowe wymiary.
• Szybki serwis i instalacja.
• Bezobsługowe rozwiązanie na lata.

Termiczna Farma Solarna – TVP Solar

W ramach projektu Termicznej Farmy Solarnej – TVP Solar, przyjęto moc zainstalowaną na poziomie 5 MWp, co odpowiada połowie dostępnej działki o powierzchni zabudowy 14 000 m². W skali całego roku układ jest w stanie wygenerować około 8000 MWh energii cieplnej w postaci wody sieciowej. W okresie letnim (od czerwca do sierpnia) instalacja pokryje zapotrzebowanie generowane przez odbiorców w ciągu dnia (8–10 godzin dziennie). Układ będzie pracował przez cały rok. Istnieje również możliwość zbudowania większej instalacji w ramach dostępnego terenu. Gwarancja wynosi 25 lat, a przy tak założonym czasie eksploatacji cena ciepła to poniżej 45 PLN/GJ. W prezentowanym układzie udział ciepła z odnawialnych źródeł energii wynosi około 8%, co spełnia wymagania efektywnego systemu ciepłowniczego.

Akumulator dzień / noc

W proponowanym przez Enerię rozwiązaniu uwzględniono akumulator ciepła o pojemności 20 MWh / 700 m³. To minimalny rozmiar, który zapewnia efektywne działanie całego układu. Akumulator stanowi sprzęgło pomiędzy instalacją kogeneracyjną, a panelami TVP Solar. Pozwala na ładowanie latem tylko wtedy, gdy produkcja energii elektrycznej jest opłacalna dla użytkownika.

Układ Hybrydowy - podsumowanie

Prezentowane przez Enerię rozwiązanie to najprostsza droga do dekarbonizacji PEC, przy zachowaniu racjonalnych kosztów inwestycji. Dobierając urządzenia, Eneria kierowała się nie tylko rachunkiem ekonomicznym, ale także bezpieczeństwem energetycznym miasta. Turbiny gazowe w układzie CHP, uzupełnione o panele termiczne i akumulator ciepła, oferują:

• Możliwość pracy przez cały rok.
• Spełnienie wymagań efektywnego systemu ciepłowniczego.
• Zagospodarowanie dostępnej mocy w paliwie.
• Najwyższą redundancję układu.
• 6-7 letni okres eksploatacji głównych urządzeń do remontu.
• Dywersyfikację przychodów.
• Niskie nakłady w porównaniu do konkurencyjnych technologii.
• Bezobsługową pracę.
• Możliwość budowy etapami.
• Możliwość wielopaliwowego zasilania.
• Gotowość na wodór / etanol / biogaz bez wymiany technologii.

Zaproponowany przez Enerię układ hybrydowy oparty na turbinach gazowych, panelach TVP Solar oraz akumulatorach ciepła pozwala na efektywne wykorzystanie energii zarówno w ciągu dnia, jak i nocy. Dzięki temu rozwiązaniu możliwe jest zaspokojenie zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną odbiorców w różnych porach dnia przy jednoczesnym osiągnięciu celów dekarbonizacji i efektywności energetycznej.