Benefity i ograniczenia instalacji układu kogeneracyjnego w istniejącej ciepłowni gazowej

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2023.9.1

Warianty tytułu

EN

Benefits and limitations of cogeneration system installation in an existing gas heating plant

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zgodnie z prognozami „Polityki energetycznej Polski do 2040 roku” (PEP2040), krajowa strategia energetyczna ma dążyć do neutralności klimatycznej. Cel ten ma zostać osiągnięty poprzez zwiększenie efektywności energetycznej przy udziale odnawialnych źródeł energii (OZE) oraz redukcję emisji gazów cieplarnianych. Planowane zapotrzebowanie na energię elektryczną ma wzrosnąć od wartości 173,5 TWh (dane za 2022 r.) do 230,0 TWh (prognoza na 2040 r.), co będzie wymuszało budowę nowych źródeł energii elektrycznej m. in. opalanych gazem ziemnym lub gazem ziemnym z domieszką wodoru. Otwiera to nowe możliwości przed ciepłowniami, które instalując kogeneracyjny silnik gazowy, mają możliwość: (I) dywersyfikacji źródeł przychodu o dodatkową sprzedaż energii elektrycznej, (II) przeniesienia części kosztów stałych wynikających z działalności ciepłowniczej na działalność związaną z elektroenergetyką, (III) otrzymania w dłuższej perspektywie statusu efektywnej sieci ciepłowniczej, (IV) ograniczenia znacznego wzrostu podwyżek cen ciepła, (V) generacji dodatkowego przychodu, w szczególności w sezonie letnim, gdy produkcja ciepła wynika głównie z zapotrzebowania na ciepłą wodę. Inwestycję należy przeanalizować pod kątem zagrożeń płynących z niestabilnych cen na rynku gazu oraz dodatkowych możliwości jakie daje sprzedaż energii elektrycznej na rynku bilansującym, gdzie cena sprzedaży jest aktualizowana z godzinowym interwałem. Takie podejście daje większą elastyczność w porównaniu do modelu kształtowania taryf dla ciepła zatwierdzanych przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki (URE). Zaprezentowane w artykule benefity i ograniczenia instalacji układu kogeneracyjnego bazują na doświadczeniu z uruchomienia elektrociepłowni w Białogardzie (woj. Zachodniopomorskie) wykorzystującej silniki tłokowe zasilane gazem ziemnym. Obiekt na przestrzeni kilkunastu lat przeszedł transformację od wytwarzania ciepła w lokalnych kotłowniach opalanych węglem kamiennym, a następnie paliwem gazowym, do jednej centralnej elektrociepłowni, która połączyła wszystkie lokalne kotłownie miejską siecią ciepłowniczą (MSC). Doświadczenie z działań modernizacyjnych istniejących kotłowni oraz przegląd różnych aspektów stosowania kogeneracji gazowych, które zostały opisane w niniejszym artykule ma na celu rozpoczęcie dyskusji nad zmianą aktów prawnych w zakresie kogeneracji, celem ich dostosowania do dynamiki rynku.

EN

According to the forecasts of the “Energy Policy of Poland until 2040” (PEP2040), the national energy strategy is to strive for climate neutrality. This goal is to be achieved by increasing energy efficiency with the use of renewable energy sources (RES) and reducing greenhouse gas emissions. The planned demand for electricity is to increase from 173.5 TWh (data for 2022) to 230.0 TWh (forecast for 2040), which will force the construction of new electricity sources, e.g. based on natural gas or its mix with hydrogen. This opens up new opportunities for heating plants, which, by installing a cogeneration gas engine, have the opportunity to: (i) diversify their sources of income by additional sales of electricity, (ii) transfer part of the fixed costs resulting from heating operations to activities related to the power industry, (iii ) obtaining the status of an effective heating network in the long term, (iv) limiting a significant increase in heat price increases, (v) generating additional income, in particular in the summer season, when heat production results mainly from the demand for hot utility water. The investment should be analyzed in terms of threats arising from unstable prices on the gas market and additional opportunities offered by the sale of electricity on the balancing market, where the sale price is updated with an hourly interval. This approach gives greater flexibility compared to the model of shaping heat tariffs approved by the President of the Energy Regulatory Office (URE). The benefits and limitations of the installation of the cogeneration system presented in the article are based on the experience from the commissioning of the CHP plant in Białogard (Zachodniopomorskie Voivodeship) based on natural gas-fired piston engines. Over the course of several years, the facility has undergone a transformation from generating heat in local boiler houses fired with hard coal, and then with gas fuel, to one central heat and power plant, which connected all local boiler houses with the municipal heating network. The experience from the modernization of existing boiler houses and the review of various aspects of the use of gas cogeneration, which are described in this article, is intended to start a discussion on amending legal acts in the field of cogeneration in order to adapt them to market dynamics.

Słowa kluczowe

PL

kogeneracja gazowa; transformacja energetyczna; ciepłownictwo; modernizacja kotłowni węglowej; gospodarka skojarzona; cena energii; energia elektryczna; ciepło; gaz

EN

gas-fired cogeneration; energy transformation; district heating; modernization of a coal-fired boiler house; combined economy; energy prices; electricity; heat; gas

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 9
• Strony: 16--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., rys., tab.

Twórcy

Bibliografia

• [1] Kupczak P., Transformacja energetyczna średniej wielkości PECów, Energetyka Cieplna i Zawodowa 2021, 2, 24-27
• [2] Bandurski K., Ratajczak K., Amanowicz Ł., Transformacja energetyczna, a Metodologia sporządzania charakterystyki energetycznej…, COW 10/2021, 52, 20-26, https://doi.org/10.15199/9.2021.10.3
• [3] Bandurski K., Amanowicz Ł, Ratajczak K., Zintegrowane wykorzystanie charakterystyki energetycznej budynków w polityce energetycznej, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2022, 53 (12), 20-25
• [4] Bandurski K., Ratajczak K., Amanowicz Ł., Różnica między obliczeniowym i pomiarowym wykorzystaniem energii do ogrzewania w budynkach wielorodzinnych, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2021, 52 (12), 12-16
• [5] Ratajczak K., Bandurski K., Amanowicz Ł., Brzeziński J., Rozbieżności między obliczeniowym a zmierzonym zużyciem energii do ogrzewania i przygotowania cieplej wody użytkowej na przykładzie budynków jednorodzinnych, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 2022, 53 (4), 3-9, http://dx.doi.org/10.15199/9.2022.4.1
• [6] Amanowicz Ł., Szczechowiak E., Zasady projektowania systemów wentylacji budynków energooszczędnych, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja (48) 2/2017, 72-78, http://dx.doi.org/10.15199/9.2017.2.4
• [7] Amanowicz Ł., Ratajczak K., Dudkiewicz E., Recent Advancements in Ventilation Systems Used to Decrease Energy Consumption in Buildings - Literature Review, Energies 2023, 16, 1853, https://doi.org/10.3390/en16041853
• [8] Amanowicz Ł., Ratajczak K., Szczechowiak E., Analiza możliwości stosowania systemu wentylacji zdecentralizowanej w budynkach edukacyjnych, Instal 10/2019, 20-26, http://dx.doi.org/10.36119/15.2019.10.3
• [9] Ratajczak K., Amanowicz Ł., Szczechowiak E., Assessment of the air streams mixing in wall-type heat recovery units for ventilation of existing and refurbishing buildings toward low energy buildings, Energy & Buildings 2020, Vol. 227, 110427, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2020.110427
• [10] Dudkiewicz E., Szałański P., A review of heat recovery possibility in flue gases discharge system of gas radiant heaters. W: International Conference on Advances in Energy Systems and Environmental Engineering (ASEE19): Wrocław, Poland, June 9-12, 2019 / eds. M.A. Sayegh [i in.]. [Les Ulis]: EDP Sciences, 2019, 00017, 1-8, https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911600017
• [11] Orman Ł.J., Enhancement of pool boiling heat transfer with pin-fin microstructures, Journal of Enhanced Heat Transfer, vol. 23 (2), 2016, pp. 137-153, 10.1615/JEnhHeatTransf.2017019452
• [12] Dudkiewicz E., Fidorów N., Jeżowiecki J., Wpływ sprawności promienników podczerwieni na koszt zużycia energii. Rocznik Ochrona Środowiska. 2013, 15, 2, 1804-1817
• [13] Amanowicz Ł., Controlling the Thermal Power of a Wall Heating Panel with Heat Pipes by Changing the Mass Flowrate and Temperature of Supplying Water-Experimental Investigations, Energies 2020, 24, 13, 6547-1 6547-19, https://doi.org/10.3390/en13246547
• [14] Hussain L., Khan M.M., Masud M., Ahmed F., Rehman Z., Amanowicz Ł., Rajski K., Heat Transfer Augmentation through Different Jet Impingement Techniques: A State-of-the-Art. Review. Energies 2021, 14, 6458. https://doi.org/10.3390/en14206458
• [15] Amanowicz Ł., Wojtkowiak J., Comparison of Single- and Multipipe Earth-to-Air Heat Exchangers in Terms of Energy Gains and Electricity Consumption: A Case Study for the Temperate Climate of Central Europe, Energies 2021, 14, 8217, https://doi.org/10.3390/en14248217
• [16] Michalak, P. Hourly Simulation of an Earth-to-Air Heat Exchanger in a Low-Energy Residential Building. Energies 2022, 15, 1898. https://doi.org/10.3390/en15051898
• [17] Kordana-Obuch, S.; Starzec, M.; Słyś, D. Assessment of the Feasibility of Implementing Shower Heat Exchangers in Residential Buildings Based on Users’ Energy Saving Preferences. Energies 2021, 14, 5547, https://doi.org/10.3390/en14175547
• [18] Piotrowska, B.; Słyś, D.; Kordana-Obuch, S.; Pochwat, K. Critical Analysis of the Current State of Knowledge in the Field of Waste Heat Recovery in Sewage Systems. Resources 2020, 9, 72, https://doi.org/10.3390/resources9060072
• [19] Amanowicz, Ł. Peak Power of Heat Source for Domestic Hot Water Preparation (DHW) for Residential Estate in Poland as a Representative Case Study for the Climate of Central Europe. Energies 2021, 14, 8047. https://doi.org/10.3390/en14238047
• [20] Wojtkowiak J, Amanowicz Ł, Mróz T., A new type of cooling ceiling panel with corrugated surface - Experimental investigation, Int J Energy Res., (43) 13 2019, 7275-7286, https://doi.org/10.1002/er.4753
• [21] Wojtkowiak J., Amanowicz Ł., Effect of Surface corrugation on cooling capacity of ceiling panel, Thermal Science and Engineering Progress Volume 19, 1 October 2020, 100572, https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100572
• [22] Sinacka, J.; Szczechowiak, E. An Experimental Study of a Thermally Activated Ceiling Containing Phase Change Material for Different Cooling Load Profiles. Energies 2021, 14, 7363. https://doi.org/10.3390/en14217363
• [23] Sinacka J., Mróz T., Novel radiant heating and cooling panel with a monolithic aluminium structure and U-groove surface - Experimental investigation and numerical model, Applied Thermal Engineering 2023, 229, 120611, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120611
• [24] Amanowicz Ł., Ratajczak K., Praktyczne aspekty projektowania energooszczędnych systemów wentylacyjnych, Rynek Instalacyjny 6/2021, 42-48
• [25] Amanowicz Ł., Ratajczak K., Stosowanie odzysku ciepła, OZE oraz zdecentralizowanych systemów wentylacyjnych w kontekście wymagań WT 2021, Rynek Instalacyjny 7-8/2021, 46-51
• [26] Bandurski K., Amanowicz. Ł, Pawlak F., Nowa metoda wyboru rozwiązań instalacyjnych i założeń architektonicznych spełniających wymagania WT 2021 dotyczące EPmax w budynkach wielorodzinnych, Rynek Instalacyjny 2023, 4, 68-75
• [27] Różycka-Wrońska E., Wojdyga K., Testing the volume of HF, HCl, CH4 gaseous air pollutants’ emission for WR water grate boilers type - state of the polish heating industry, INSTAL 2020, 12, 9-14, http://dx.doi.org/10.36119/15.2020.12.1
• [28] Ćwięka J., Ciepłownictwo w poszukiwaniu najlepszych rozwiązań - Krosno postawiło na biomasę, INSTAL 2016, 5, 12-14
• [29] Sabiniak H. G., Puchała A., Ciepłownie lokalne opalane biogazem, INSTAL 2003, 2, 17-22
• [30] Ślimak C., PEC Geotermia Podhalańska - stan obecny, perspektywy rozwoju, INSTAL 2016, 2, 6-7
• [31] Smyk A., Laskowski R., Szymczyk J., PES a sprawność wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w kogeneracji, Instal 2018, 11, 5-11
• [32] Gurgacz S., Grudzień A. Modernizacja i rozwój ciepłownictwa lokalnego jako sposób walki ze smogiem, Instal 2019, 3, 16-19
• [33] Goździkowski A., Tańczuk M., Olszewski E., Przyszłość systemów ciepłowniczych w obliczu nowych wymagań i rosnącej konkurencji ze strony rozwiązań prosumenckich. Studium przypadku transformacji systemu ciepłowniczego w system efektywny energetycznie, Instal 2018, 9, 10-13
• [34] Klepacki A., Klepek Ł., Koszty wsparcia kogeneracji w Polsce, Instal 2017, 9, 34-42
• [35] Maludziński B., Propozycja metody obliczania wskaźnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla sieci ciepłowniczej, Instal 2014, 4, 9-13
• [36] Ciepłownictwo w liczbach: najnowszy raport URE https://www.ure.gov.pl/download/9/13418/Raportcieplowniczy2021.pdf
• [37] Rybarz M., Ryzyko inwestycyjne budowy gazowych układów kogeneracyjnych małej mocy, Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 2023, nr 111, 143-151
• [38] Leśko M., Wykorzystanie autorskich modeli optymalizacyjnych do analizy opłacalności inwestycji związanych z kogeneracją, źródłami elektrycznymi lub solarnymi i akumulacją ciepła w systemach ciepłowniczych, Energetyka Cieplna i Zawodowa 2023, 2, 34-48
• [39] Baranowski A., Problemy transformacji energetycznej ciepłownictwa na przykładzie Komunalnego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej Spółka z o.o. w Bydgoszczy, Energetyka Cieplna i Zawodowa 2022, 4, 40-46
• [40] Adamik P., Evaluation of the use of cogeneration bonus as a support mechanism for the transformation of the heating system in Poland in 2019-2020, Ekonomia i Środowisko 2022, 1, 39-52
• [41] Miczka G., Rutkowska-Ziarko A., Wysokosprawna kogeneracja a biały certyfikat, Rynek Energii 2021, 2, 3-11
• [42] Joniec W., Kogeneracja w polityce energetycznej Polski. Założenia i przykłady realizacji, Rynek Instalacyjny 2021, 5, 84-86

Uwagi

1. Badania te były finansowane przez: a. program Ministerstwa Edukacji i Nauki „Doktorat Wdrożeniowy” umowa nr DWD/5/0017/2021 podpisana 23.12.2021 r. b. Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, projekt nr 504101/0713/SBAD/0981.

2. This research was funded by: a. program of the Ministry of Education and Science “Doktorat Wdrożeniowy” agreement nr DWD/5/0017/2021 signed on 23.12.2021 b. the Polish Ministry of Science and Higher Education, grant number 504101/0713/SBAD/0981

3. Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).