Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach otwartego konkursu pt. „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” sfinansowało opracowanie kliku projektów (opisywanych w RI [5, 6 7]) oraz wyłoniło laureata i sfinansowało budowę jego demonstratora technologii – elektrociepłowni w Sokołowie Podlaskim. Ten projekt badawczy zrealizowało konsorcjum w składzie: Biogas East Sp. z o.o. z Grochowa Szlacheckiego, ECN S.A. z Warszawy, Energotechnika Sp. z o.o. z Warszawy, Instytut Certyfikacji Emisji Budynków Sp. z o.o. z Krakowa oraz Przedsiębiorstwo Usług Inżynieryjno-Komunalnych Sp. z o.o. w Sokołowie Podlaskim. Artykuł opracowano na postawie informacji prasowych [1] oraz materiałów NCBR [2].

Biogas East odpowiada za projekt i budowę oraz eksploatację biogazowni rolniczej, a ECN za projekt i budowę sieci gazowniczej wraz ze stacją redukcyjno-pomiarową, wykonanie sieci SN 15 kV oraz wyprowadzenie mocy z zespołu kogeneracyjnego (CHP), a także implementację systemu SCADA. Energotechnika odpowiada za projekt, budowę i eksploatację stacji oczyszczania biogazu oraz systemu wytwarzania ciepła i energii elektrycznej składającego się z pomp ciepła, zespołu kogeneracyjnego i magazynu ciepła, natomiast ICEB wspierał projekt od strony naukowej, opracował koncepcję projektową systemu wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, w tym układów pomiarowych, odpowiada za weryfikację i dynamiczne obliczenia symulacyjne oraz monitorowanie i raportowanie rezultatów pracy demonstratora, opracował podstawy sterowania i regulacji oraz pełni nadzór nad ruchem regulacyjnym. PUIK udostępnił infrastrukturę do budowy i eksploatacji demonstratora, przeprowadził modernizację kotłowni gazowej i wybudował nowe odcinki sieci ciepłowniczej oraz pompownię.

W ramach projektowania, budowy i eksploatacji zastosowano po raz pierwszy w Polsce szereg innowacyjnych rozwiązań (wg stanu na koniec 2024 r.): wybudowano stację oczyszczania biogazu o dużej skali, zbudowano biogazociąg o długości ok. 9 km i uzyskano udział energii odnawialnej na poziomie maks. 98% według wymagań konkursowych NCBR. Po raz pierwszy w skali światowej połączono w jeden system multienergetyczny wiele różnych urządzeń technologicznych: pompy ciepła powietrze/woda i woda/woda, zespół kogeneracyjny oraz gazowy szczytowy kocioł grzewczy. Uzyskano ponad 100-proc. sprawność zespołu kogeneracyjnego odniesioną do wartości opałowej spalanego biometanu; zastosowano odzysk ciepła technologicznego z udziałem pompy ciepła typu woda/woda; uzyskano efektywność energetyczną systemu wytwarzania ciepła i energii elektrycznej na poziomie 139% (odniesioną do wartości opałowej spalanego biometanu) oraz eksperymentalnie wytworzono w elektrociepłowni wodę lodową z wykorzystaniem biometanu.

Elektrociepłownia spełnia wymagania pełnej niezależności energetycznej, gdyż do wytworzenia biogazu korzysta z biomasy rolniczej pochodzącej z upraw zlokalizowanych w bezpośredniej bliskości Sokołowa Podlaskiego. Wyniki dotychczasowej eksploatacji potwierdzają, że system wytwarza ciepło i energię elektryczną w blisko 100% zaliczaną do energii odnawialnej.

Biogaz służący do zasilania urządzeń w elektrociepłowni wytwarzany jest w biogazowni rolniczej w pobliskim Grochowie Szlacheckim, jej moc maks. wynosi 3,7 MW (dla 81 t/doba), a maksymalny strumień biogazu kierowany do uzdatnienia do postaci biometanu to 4,5 MW (z uwzględnieniem magazynów biogazu). Biogazownia produkuje biogaz w oparciu o proces fermentacji beztlenowej na bazie substratów roślinnych oraz odpadów mieszczących się w definicji biogazu rolniczego. Substraty roślinne po okresie przechowywania w magazynach kiszonki są mieszane z płynem w celu uzyskania konsystencji zdolnej do dalszego przetwarzania. Po odpowiednim przetworzeniu substraty trafiają do zamkniętych fermentatorów przykrytych szczelną membraną. W zamkniętych fermentatorach w temperaturze ok. 38°C i w ciągu ok. 70 dni po dostarczeniu substratu zachodzi proces fermentacji, w wyniku którego wydziela się gaz, a jego głównym składnikiem jest metan (55–62%) i dwutlenek węgla (ok. 40%) oraz śladowe ilości wodoru, siarkowodoru, azotu, pary wodnej i innych gazów.

Po procesie fermentacji użyte substraty kierowane są do zbiornika o pojemności 17 tys. m3 na produkty pofermentacyjne w postaci płynnej, skąd po sedymentacji pozwalającej na odzyskanie części wody, która jest zawracana w celu jej ponownego wykorzystania w procesie technologicznym, odpady przekazywane są odbiorcom posiadającym zezwolenie na ich odzysk lub unieszkodliwianie. Po spełnieniu stosownych wymogów prawnych oraz uzyskaniu odpowiedniego zezwolenia odpad może zostać wykorzystany rolniczo. Biogazownia znajduje się ok. 9 km od Sokołowa Podlaskiego. Gaz jest doprowadzany do elektrociepłowni rurociągiem biometanu (pierwszym w Polsce). Obok niego biegnie linia komunikacyjna oraz linia średniego napięcia przesyłająca energię elektryczną ze stacjami trafo 15/0,4 kV na obydwu końcach sieci. Biogazownia wykorzystuje innowacyjną i pierwszą w Polsce stację uzdatniania/uszlachetniania biogazu zapewniającą biometan o wysokiej czystości dla zespołu kogeneracyjnego z silnikiem gazowym wytwarzającym energię elektryczną, z którego odzyskiwane jest ciepło. Po uzdatnieniu zawartość CH4 wynosi 90%, a biometan ma wartość opałową 34 MJ/Nm³.

Podsystemy układu

Układ zastosowany w elektrociepłowni w Sokołowie Podlaskim składa się z kilku podsystemów tworzących ciąg technologiczny wykorzystujący lokalne i odnawialne źródła energii, a spaja je zespół kogeneracyjny o mocy 0,999 MWe zasilany biometanem – jest to pierwszy podsystem, dostarczający ciepło odpadowe oraz energię elektryczną do systemu elektroenergetycznego, a także do zasilania komponentów elektrociepłowni. Struktura pozyskiwania energii elektrycznej w demonstratorze wskazywała, że w okresie od 1 kwietnia 2024 do 31 marca 2025 aż 99% zapewniał demonstrator, tym samym prawie nie wystąpiła konieczność dodatkowego zakupu energii elektrycznej z krajowej sieci elektroenergetycznej. Układ wyposażony jest w jednostkę synchronizacyjno-zabezpieczającą, która monitoruje częstotliwość i napięcie w sieci oraz dostosowuje parametry pracy agregatu. Agregat może płynnie regulować swoją moc w zakresie od 40 do 100% obciążenia znamionowego. Składa się z silnika gazowego napędzającego generator prądu zmiennego 50 Hz/400 V. W trakcie pracy agregat wytwarza ciepło procesowe i odpadowe, które jest wykorzystywane w układzie ciepłowniczym, Agregat pracuje z wysoką sprawnością elektryczną i ma dużą odporność na paliwo gazowe o słabej jakości (biometan).

Ciepło użyteczne w agregacie pochodzi z chłodzenia pierwszego stopnia intercoolera, oleju, bloku silnika i dochłodzenia spalin. W celu zabezpieczenia wymienników wewnętrznych i bloku silnika przed możliwym uszkodzeniem wynikającym ze szkodliwego wpływu zanieczyszczonego chłodziwa lub jego zamarznięcia układy te zostały wyizolowane z-a pomocą wewnętrznego obiegu glikolu. W układzie zwanym obiegiem głównym mieszanina wody i glikolu przepływa przez chłodnicę oleju, pierwszy stopień intercoolera i blok silnika, gdzie zostaje podgrzana do 90°C. Tak podgrzane chłodziwo trafia na wymiennik płytowy, na którym następuje schłodzenie mieszaniny za pomocą wody (lub innego chłodziwa pracującego w obiegu zewnętrznym). Obieg zewnętrzny agregatu to centralny system odbioru ciepła wytwarzanego na module. W celu utrzymania właściwej temperatury wody na wyjściu z modułu oraz zabezpieczenia agregatu przed zbytnim wychłodzeniem układ jest wyposażony w zawór trójdrogowy podnoszący temperaturę powrotu do 70°C (w razie niższej temperatury) poprzez zmieszanie wody powrotnej na agregat z wodą wychodzącą z modułu (temperatura 90°C).

Stabilizacja temperatury wyjściowej odbywa się z kolei poprzez zmianę obrotów pompy obiegowej (praca na falowniku). Układ wewnętrzny (mieszanina wody i glikolu) ma szereg zabezpieczeń chroniących agregat przed przegrzaniem i nadmiernym schłodzeniem, m.in.: a) układ stabilizacji temperatury wody na bloku silnika – utrzymuje prawidłową temperaturę mieszaniny chłodzącej poprzez mieszanie strumienia opuszczającego silnik ze strumieniem wchodzącym na silnik; b) układ zabezpieczający silnik przed przegrzaniem – zmniejsza moc agregatu w razie zbyt wysokich temperatur mieszaniny, aż do całkowitego zatrzymania jednostki, lub w sytuacji szybkiego wzrostu temperatury układu chłodzenia wyłącza silnik; c) układ zabezpieczenia przed odparowaniem chłodziwa na wymienniku spalinowym (pierwszy stopień chłodzenia) – w wypadku przekroczenia temperatury chłodziwa opuszczającego wymiennik wyłącza agregat.

Przekazywanie ciepła do sieci ciepłowniczej realizowane jest poprzez sprzęgło hydrauliczne. Wyposażeniem kontrolnym są regulatory temperatury, które dokonują jej pomiaru w wybranych strefach sprzęgła hydraulicznego i w zależności od nastawionych wartości zezwalają na pracę modułu kogeneracyjnego lub ją blokują.

Drugim podsystemem jest kaskada trzech sprężarkowych wysokotemperaturowych pomp ciepła typu powietrze/woda o mocy 173 kW (dla A7/W70), zasilanych odnawialną energią elektryczną z zespołu kogeneracyjnego, która realizuje pierwszy etap podgrzewania wody powrotnej w systemie ciepłowniczym. To ciepło także kwalifikowane jest jako pochodzące ze źródeł odnawialnych. Kaskada pomp ciepła pracuje w układzie ze sprzęgłem hydraulicznym współpracującym z siecią ciepłowniczą. Wyposażenie kontrolne stanowią regulatory temperatury, które dokonują jej pomiaru w wybranych strefach sprzęgła hydraulicznego i w zależności od nastawionych wartości oraz wartości temperatury zewnętrznej inicjują lub blokują pracę pomp ciepła. Według projektu ok. 11% ciepła wytworzonego na potrzeby odbiorców pochodzi z tych pomp ciepła i mogłyby one poza sezonem grzewczym pokryć nawet 100% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania c.w.u. przy zasilaniu energią elektryczną z agregatu kogeneracyjnego zasilanego biogazem z lokalnej biogazowni, czyli energią odnawialną. Pompy ciepła powietrze/woda nie są jednak przewidziane w normalnym trybie pracy w okresie letnim, gdyż priorytetem dla całego układu jest ciągła produkcja biogazu i praca modułu wytwarzającego energię elektryczną.

Kolejny podsystem – trzeci – to wielostopniowa wysokotemperaturowa pompa ciepła typu woda/woda zasilana odnawialną energią elektryczną z układu kogeneracyjnego. Odzyskuje ona ciepło procesowe z różnych współpracujących ze sobą obiegów technologicznych i zasilanych przez zespół kogeneracyjny, w tym ciepło z obiegu chłodzenia systemu turbodoładowania silnika biogazowego oraz z ekonomizerów wykorzystujących zarówno energię z kondensacji spalin z agregatu kogeneracyjnego, jak i z grzewczego kotła gazowego. Jest to rozwiązanie innowacyjne, gdyż dotychczas w elektrociepłowniach ciepło procesowe było w znacznym stopniu tracone do otoczenia. W podsystemie tym znajduje się także sprzęgło hydrauliczne i separujący ciśnieniowo wymiennik ciepła współpracujący z siecią ciepłowniczą. Warto podkreślić, że w ramach badań w zasobniku ciepła procesowego wytworzono również w sposób wysokoefektywny chłód (wodę lodową) o temperaturze 5°C. Równoczesne wytwarzanie ciepła i chłodu stwarza przedsiębiorstwom ciepłowniczym nowe możliwości rozwoju, niewykorzystywane dotychczas w Polsce

Czwarty podsystem to magazyn ciepła, czyli wolnostojący bezciśnieniowy zasobnik o dużej pojemności (40 m³) gromadzący odpadowe ciepło procesowe. Czuwają nad nim regulatory, które kontrolują temperaturę w wybranych strefach sprzęgła hydraulicznego oraz zasobnika.

Piątym podsystemem jest wspomniany gazowy kocioł grzewczy o mocy 3 MW z palnikiem biogazowo-gazowym zasilany biometanem, stanowi on także rezerwowe i uzupełniające rozwiązanie zasilane w razie potrzeby gazem ziemnym. Wyposażeniem kontrolnym jest regulator, który dokonuje pomiaru temperatury na wylocie z kotła, a wyposażeniem dodatkowym – układ stabilizacji temperatury wody na powrocie do kotła. Do kotła gazowego został dobudowany specjalny ekonomizer kondensacyjny, którego zadaniem jest obniżenie temperatury spalin z ok. 120 do ok. 60°C. Dzięki takiemu zabiegowi możliwe jest uzyskanie dodatkowej energii przy wykorzystaniu o ok. 4% mniejszej ilości paliwa. Tak powstałe ciepło jest zagospodarowane i wprowadzane do miejskiej sieci cieplnej.

Każdy z czterech podzespołów przekazujących ciepło do sieci jest wyposażony w sprzęgło hydrauliczne dla zwiększenia efektywności tego procesu.

Szósty podsystem to centralny system obserwacji, monitorowania, kontroli i zarządzania całym demonstratorem, czuwa nad nim również przez całą dobę wykwalifikowany zespół pracowników dysponujących odpowiednim wyposażeniem technicznym zlokalizowanym w pomieszczeniu sterowni.

Zintegrowany system energetyczny zasila w ciepło wydzielony obieg sieci ciepłowniczej w Sokołowie Podlaskim, do którego są przyłączeni odbiorcy ogrzewający łącznie ponad 91 tys. m² powierzchni użytkowej (c.o.), i dostarcza ciepłą wodę użytkową dla powierzchni powyżej 89 tys. m². Powierzchnia mieszkaniowa zasilanego zasobu wynosi 73 tys. m². Udział OZE w rocznym wolumenie energii cieplnej i elektrycznej wytworzonej w opisanym systemie energetycznym sięga 98%, z czego ok. 95% w wolumenie energii cieplnej zasilającej wydzielony obieg ciepłowniczy.

Replikowalność demonstratora

Autorzy opracowania podkreślają, że powielanie przedstawionej technologii jest relatywnie proste. W 2024 roku pracowało w Polsce ponad 400 systemów cieplnych i tylko 15% z nich stanowiły tzw. efektywne systemy ciepłownicze, czyli takie, w których: 50% energii dostarczanej do klientów pochodzi ze źródeł odnawialnych albo stanowi ciepło odpadowe z procesów przemysłowych lub 75% energii dostarczanej do klientów pochodzi z układów kogeneracyjnych albo 50% energii dostarczanej do klientów stanowi miks powyższych. Niemniej za każdym razem należy podejść do tego zagadnienia szeroko i wykonać analizy dla pozyskiwania i źródła substratu do produkcji biogazu. Demonstrator jest zasilany głównie kiszonką kukurydzianą, ponieważ w okolicy Grochowa Szlacheckiego jest ona najłatwiej dostępna, a rolnicy są zaznajomieni i oswojeni z jej produkcją. W innych regionach mogą to być np.: pomiot kurzy, wysłodki buraczane, wywar gorzelniczy, perz, odpady poubojowe lub lokalne wysypisko śmieci produkujące gaz wysypiskowy. Dostawcą może być również przemysł, zwłaszcza przemysł spożywczy.

Po identyfikacji dostępnych źródeł należy określić technologię wytwarzania biogazu czy wprost fermentora. Zaproponowany reaktor o pełnym wymieszaniu nie wyklucza zastosowania np. reaktora perkolacyjnego lub o przepływie tłokowym. W przypadku lokalizacji o dużym zapotrzebowaniu na moc cieplną może się okazać, że jedno źródło paliwa gazowego nie wystarcza i należy podłączyć kilka lokalnych biogazowni w pierścień, szereg lub gwiazdę. Kolejnym krokiem jest dogłębna analiza zapotrzebowania systemu cieplnego na ciepło. W niektórych ciepłowniach miejskich produkowana jest również para na potrzeby lokalnego przemysłu. Po drobnej modyfikacji przedstawionej technologii istnieje możliwość produkcji w skojarzeniu pary technologicznej. Adaptacja polega na zmianie technologii wymiennika pracującego na spalinach z wodnego na parowy.

Z racji dużych możliwości adaptacyjnych demonstratora istnieje duży potencjał wykorzystania tego rozwiązania nawet przy bardzo rozbudowanych systemach cieplnych jako źródła podstawowego – całorocznego oraz źródła autonomicznego na wypadek problemów z zasilaniem podstawowym z sieci elektroenergetycznej. Przykładem może być województwo warmińsko-mazurskie, w którym występuje problem z zagospodarowaniem pomiotu kurzego w ilości ok. 1 mln ton rocznie, co przekłada się na 100 mln m³ biometanu. Skala prezentowanego demonstratora to 3 mln m³ rocznie. Oznacza to, że pomiot kurzy tylko z jednego województwa umożliwia zaspokojenie zapotrzebowania 30 średnich miejscowości na ciepło i wytwarzaną dodatkowo energię elektryczną, która może odpowiadać na lokalne potrzeby lub być wprowadzana do sieci elektroenergetycznej. Biorąc pod uwagę biogaz jako paliwo, preferowane miejsca budowy kolejnych replik systemu to tereny powiatów ziemskich z miastami mającymi do 30 tys. mieszkańców.

Podsumowanie

Prezentowany projekt badawczy „Elektrociepłownia przyszłości” może stanowić inspirację, a doświadczenia z jego eksploatacji oraz pozyskane wyniki z pomiarów będą mogły być impulsem do tworzenia podobnych systemów multienergetycznych w dowolnej skali na potrzeby ciepłownictwa gminnego, powiatowego i miejskiego oraz zastosowań przemysłowych. „Elektrociepłownia przyszłości” jest najbardziej zaawansowanym projektem tego typu w skali światowej. Wprowadzono w niej innowacyjne rozwiązania eliminujące straty ciepła, a jednocześnie wspierające ekologiczne i ekonomiczne modele produkcji energii. Rozwiązanie to gwarantuje udział blisko 100% energii ze źródeł odnawialnych i wysoką efektywność energetyczną, na poziomie ponad 135%, z możliwością dalszego rozwoju (np. potwierdzone wytwarzanie wody lodowej) a innowacje eliminujące straty ciepła procesowego stwarzają szerokie perspektywy dla ciepłownictwa zawodowego i przemysłowego.

Autorem koncepcji technicznej, doboru urządzeń oraz weryfikacyjnych obliczeń i symulacyjnymi jest Instytut Certyfikacji Emisji Budynków. W ICEB opracowano również podstawy i scenariusze sterowania, regulacji oraz system pomiarowy służący do monitorowania pracy elektrociepłowni. Realizacja projektu była możliwa dzięki finansowaniu z NCBR oraz współpracy wykonawców w ramach konsorcjum, w którego skład weszli: BIOGAS-EAST, ECN, ENERGOTECHNIKA, ICEB oraz PUIK Sokołów Podlaski.

Literatura

1. Mirowski Adolf, Umiński Piotr, Umiński Michał, Skorupka Piotr, Demonstrator Technologii. Informacje prasowe. Opracowanie wykonane w ramach Przedsięwzięcia nr 88/21/PU/P63 – Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym, ICEB Sp. z o.o., Raport nr 03/10/2024, https://iceb.info/referencje.html

2. Rekomendacja Wykonawcy – dobre praktyki transformacji systemu elektrociepłowniczego w kierunku OZE, Raport wykonany w ramach Przedsięwzięcia nr 88/21/PU/P63 - Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym, NCBR – Raporty „Dobre praktyki”, https://www.gov.pl/attachment/fdfed8da-88e5-444f-b2c8-8da09eee7fa7

3. Energy Clusters Network S.A., https://www.ecn.energysokolow_pl_informacje/

4. Instytut Certyfikacji Emisji Budynków i Pomiarów Technicznych, ICEB Sp. z o.o., https://iceb.info/referencje.html

5. Joniec Waldemar, System ciepłowniczy z pompami ciepła i magazynem ciepła zasilany z instalacji PV, „Rynek Instalacyjny” 9/2023, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/pompy-ciepla/160733,system-cieplowniczy-z-pompami-ciepla-i-magazynem-ciepla-zasilany-z-instalacji-pv 

6. Joniec Waldemar, Bezemisyjny system dostaw ciepła dla Choszczna, „Rynek Instalacyjny” 5/2023, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/cieplownictwo/158001,bezemisyjny-system-dostaw-ciepla-dla-choszczna 

7. Joniec Waldemar, Ciepłownie przyszłości powstają już dzisiaj, „Rynek Instalacyjny” 9/2022, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/cieplownictwo/149087,cieplownie-przyszlosci-powstaja-juz-dzisiaj 

Zamówienie jest współfinansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach poddziałania 4.1.3 Innowacyjne metody zarządzania badaniami Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020, w ramach projektu pn. Podniesienie poziomu innowacyjności gospodarki poprzez wdrożenie nowego modelu finansowania przełomowych projektów badawczych zgodnie z umową z dnia 12 kwietnia 2017 r. numer POIR.04.01.03-00-0001/16