Analiza możliwości wykorzystania mikrokogeneracji w budownictwie mieszkaniowym

Wraz ze wzrostem kosztów ogrzewania i energii elektrycznej oraz zaostrzaniem wymagań technicznych i prawnych wdrażane są systemy energooszczędne i przyjazne środowisku. Jedną z możliwości ograniczenia kosztów oraz spełnienia wymagań przepisów jest wykorzystanie kogeneracji – skojarzonej produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Do najważniejszych wyzwań w ciepłownictwie i energetyce należy zaopatrzenie budynków w energię uzyskaną w sposób efektywny i ekonomiczny, przy jednoczesnym ograniczonym oddziaływaniu na środowisko.

Od lat zapotrzebowanie na energię cieplną pokrywane jest przy wykorzystaniu klasycznych kotłów: głównie na paliwo stałe, ale również gazowych czy olejowych, natomiast zaopatrzenie w energię elektryczną jest domeną zakładów energetycznych. Nie są to jednak rozwiązania, które będą wykorzystywane również w przyszłości, a pomysłem na nią może być właśnie zastosowanie kogeneracji.

Jednostki mikrokogeneracyjne to urządzenia o małej mocy – do 50 kW – będące realną alternatywą dla oddzielnej produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Układy te stosowane są głównie w obiektach komercyjnych, hotelach, żłobkach czy halach przemysłowych. Zaletą tych jednostek są niewielkie wymiary oraz możliwość pokrycia potrzeb cieplnych (c.o., c.w.u.) i zapotrzebowania na energię elektryczną (najczęściej częściowo).

Dla przypomnienia: mikrokogeneracja (ang. microcogeneration, m-CHP) zgodnie z zapisem w dyrektywie 2012/27/UE [8] określana jest jako skojarzona produkcja ciepła i energii elektrycznej lub mechanicznej w czasie tego samego procesu, z maksymalną mocą poniżej 50 kW. Znowelizowana ustawa o OZE [9] za mikrokogenerację również uważa urządzenia o mocy do 50 kW. Jest to odpowiednik kogeneracji w energetyce, tzw. CHP (ang. combined heat and power), której proces polega głównie na skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła [6].W analizie uwzględnia się przeważnie całkowitą sprawność energetyczną układu kogeneracyjnego, z jaką energia pierwotna jest przetwarzana na energię cieplną i elektryczną. Wartość tę można wyznaczyć za pomocą wzoru:

gdzie:

E_ch,EC – zużycie energii chemicznej paliwa,

E_el – wyprodukowana energia elektryczna,

Q – wyprodukowane ciepło.

Dzięki możliwości osiągnięcia całkowitej sprawności powyżej 90%, jednostki micro-CHP pokrywają zapotrzebowanie budynków na ogrzewanie pomieszczeń i/lub ciepłą wodę (oraz potencjalnie chłodzenie), dostarczając jednocześnie energię elektryczną w celu zastąpienia lub uzupełnienia dostaw sieci. Większość dostępnych na rynku technologii micro-CHP bazuje na silnikach Stirlinga, układach Organic Rankine Cycle (ORC) lub silnikach spalinowych (ICE), charakteryzujących się wysokim stosunkiem ciepła do mocy. Czyni je to najbardziej odpowiednimi do instalacji w istniejących budynkach. Osiągając całkowitą sprawność systemu ponad 90%, technologie mikrokogeneracji stanowią rozwiązanie następnej generacji, którym zastąpić można tradycyjne kotły gazowe w większości zabudowanych środowisk, gdzie niemożliwe jest przeprowadzenie głębokich modernizacji i wykorzystanie energii odnawialnej. 

Niektóre rodzaje mikrokogeneracji są również wydajną alternatywą dla nowszych kotłów gazowych. Technologie micro-CHP pozwalają także na efektywne wykorzystanie biopaliw. Wprowadzenie mikrokogeneracji w gospodarstwach domowych i małych przedsiębiorstwach daje konsumentom możliwość wyprodukowania własnego ciepła i energii elektrycznej i stania się aktywnymi uczestnikami sektora energetycznego [2].

W 2020 roku UE ma osiągnąć cel, jakim jest ograniczenie zużycia energii o 20%, w związku z tym musi zwiększyć swoją efektywność energetyczną, w szczególności w odniesieniu do sektora mieszkaniowego, który jest odpowiedzialny za 27% całkowitego zużycia energii w UE [3]. Układy micro-CHP są odpowiednim rozwiązaniem dla wysokoemisyjnego sektora mieszkaniowego. Do głównych korzyści płynących z zastosowania tych układów należą:

• dostarczanie zarówno ciepła, jak i energii elektrycznej z jednego źródła energii;
• zmniejszenie emisji dwutlenku węgla dzięki wytworzeniu energii elektrycznej w miejscu zużycia – unika się dzięki temu straty systemowej związanej z centralnym wytwarzaniem energii;
• oszczędności ekonomiczne dla użytkownika poprzez zmniejszenie importowanej energii elektrycznej i sprzedaż jej nadwyżki z powrotem do sieci;    
• bardziej efektywne wykorzystanie gazu;
•  możliwość korzystania tylko z jednego nośnika energii, np. gazu, w układach zbilansowanych.

Technologie układów micro-CHP

Kogeneracja wykorzystywana jest do poprawy efektywności wykorzystania energii pierwotnej w stosunku do produkcji rozdzielnej. Stosowanie układów kogeneracyjnych prowadzi do zmniejszenia kosztów produkcji energii końcowej i przyczynia się w znacznym stopniu do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery, dlatego staje się to coraz popularniejszym sposobem wytwarzania energii w Europie. Kogenerację w dużym stopniu determinuje wielkość zapotrzebowania na ciepło, która w zależności od odbiorcy może ulegać zmianom dobowym i sezonowym [4]. 

Z analizy przedstawionej na rys. 1 wynika, że przy próbie wytworzenia 21 jednostek energii elektrycznej i 33 jednostek energii ciepła przy użyciu kogeneracji (zakładana sprawność na poziomie 90%) niezbędnych jest 60 jednostek energii pierwotnej, natomiast do wytworzenia tych samych ilości energii w trybie generacji rozdzielnej potrzeba aż 97 jednostek energii pierwotnej [4]. Pokazuje to, jak duże korzyści przynosi wykorzystanie układów kogeneracyjnych w energetyce – można dzięki nim zaoszczędzić 38% jednostek energii pierwotnej.

Mikroelektrownia wytwarza energię elektryczną i ciepło z wysoką sprawnością, pomaga zatem oszczędzać paliwo, ograniczać emisję gazów cieplarnianych i zmniejszać koszty energii elektrycznej. Większość urządzeń pracuje w trybie równoległym do sieci energetycznej, więc budynek nadal otrzymuje część zapotrzebowania elektrycznego z sieci, ale część energii elektrycznej może również do niej eksportować [2]. Micro-CHP mogą zostać wykorzystane do zapewnienia ogrzewania i elektryczności w budynkach mieszkalnych, hotelach, pensjonatach, budynkach komercyjnych i niedużych obiektach przemysłowych. Stosuje się w nich: biomasę, węgiel, gaz ziemny, biogaz, produkty ropopochodne i energię słoneczną. Jednak najpopularniejszym paliwem jest gaz ziemny.

W systemach micro-CHP wykorzystuje się wiele różnych technologii konwersji, takich jak: 

• silniki tłokowe wewnętrznego spalania sprzężone z generatorem i wymiennikami ciepła w celu odzyskiwania ciepła z gazów wydechowych i cyklu chłodzenia;
• silniki Stirlinga – silniki cieplne, w których ciepło jest wytwarzane zewnętrznie w oddzielnej komorze spalania (zewnętrzne silniki spalinowe). Są one również wyposażone w generator i wymiennik ciepła;
• jednostki z turbinami gazowymi – małe turbiny gazowe należące do grupy maszyn turbinowych o mocy wyjściowej do ok. 300 kWel. Aby zwiększyć moc elektryczną, turbiny gazowe są wyposażone w rekuperator (wymiennik ciepła). Są one również wyposażone w regularny wymiennik ciepła, aby wykorzystać ciepło odpadowe ze spalin;
• ORC (organiczny cykl Rankine'a) – podobny do cyklu tradycyjnej turbiny parowej, z wyjątkiem płynu, który napędza turbinę, będącego organicznym płynem o dużej masie cząsteczkowej. Wybrane płyny robocze umożliwiają wydajne wykorzystanie źródeł ciepła o niskiej temperaturze do produkcji energii elektrycznej w szerokim zakresie mocy wyjściowych (od kilku kW do 3 MW mocy elektrycznej na jednostkę);
• ogniwa paliwowe – konwertery energii elektrochemicznej podobne do baterii pierwotnych. Ogniwa paliwowe z mikrokogeneratorem są oparte na ogniwach paliwowych z membraną polimerową o niskiej temperaturze polimeru (PEFC lub PEMFC), które pracują w temperaturze ok. 80°C, lub ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem o wysokiej temperaturze (SOFC) pracujących przy ok. 800–1000°C;
• inne technologie, takie jak ogniwa parowe, urządzenia termoelektryczne itp. – nadal doskonalone [5].

Dobór układu kogeneracyjnego dla budynków mieszkalnych

Możliwość zaopatrzenia budynków mieszkalnych w energię z wykorzystaniem kogeneracji jest interesująca w aspekcie wzrostu popularności zastosowania układów CHP, ale także potrzeby zmniejszenia emisji zanieczyszczeń przez sektor mieszkaniowy. Zasilenie obiektów mieszkalnych z mikrokogeneracji jest zagadnieniem bardzo skomplikowanym i trudnym w realizacji ze względu na niejednorodny charakter zapotrzebowania na energię w ciągu roku [6].

Dobór jednostki kogeneracyjnej do budynku powinien być rozpatrywany indywidualnie dla danego przypadku, gdyż nie ma możliwości uogólnienia poziomów zużycia energii dla każdego rodzaju obiektu. Prawidłowy dobór układu mikrokogeneracji powinien opierać się głównie na zapotrzebowaniu obiektu na ciepło oraz energię elektryczną, ale także na zmienności tych wartości w skali roku, miesiąca czy dnia. Aby osiągnąć możliwie najkrótszy czas zwrotu inwestycji oraz najwyższe oszczędności eksploatacyjne, jednostka kogeneracyjna (lub szereg jednostek) powinna pracować 24 godziny na dobę przez cały rok. Pozwala to na najbardziej efektywne wykorzystanie motogodzin urządzenia i uzyskanie oczekiwanych korzyści finansowych z tytułu wykorzystania kogeneracji.

Do wykorzystania układu kogeneracji przez możliwie największą liczbę godzin w roku niezbędny jest jego właściwy dobór, uwzględniający poziom i zmienność zapotrzebowania na moc elektryczną i cieplną w skali roku. Przy przeprowadzaniu analizy możliwości zastosowania układu micro-CHP konieczne jest bazowanie na minimalnych poborach mocy w obiekcie i porównanie ich z możliwościami jednostki kogeneracyjnej. To bardzo ważny element, decydujący o czasie pracy jednostki w skali roku. Dobierając układ do najmniejszych wartości poboru mocy, mamy pewność, że w ciągu całego roku możliwy będzie odbiór energii wyprodukowanej przez jednostkę kogeneracyjną [7].

Biorąc pod uwagę powyższe kryteria doboru, dużym problemem przy zastosowaniu kogeneracji w budynkach mieszkalnych jest zapewnienie stałego poboru odpowiedniej mocy elektrycznej i cieplnej, żeby najbardziej efektywnie wykorzystać urządzenie. Podstawowe charakterystyczne cechy zmienności zapotrzebowania na energię to:

• bardzo duża dobowa zmienność zapotrzebowania na moc elektryczną;
• bardzo duża dobowa zmienność zapotrzebowania na moc cieplną (ogrzewanie i c.w.u.);
• niższe zapotrzebowanie na moc elektryczną i cieplną w stosunku do innych obiektów, np. hoteli, hal przemysłowych;
• wyłącznie sezonowe zapotrzebowanie na moc cieplną do ogrzewania;
• brak precyzyjnych i korzystnych regulacji prawnych dotyczących możliwości wyprowadzenia wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci zewnętrznej.

Kolejnym istotnym problemem związanym z doborem układu micro-CHP jest stworzenie lub pozyskanie wykresu zmienności w czasie zapotrzebowania na moc elektryczną i cieplną w budynku. W przypadku obiektów istniejących można zwrócić się do dystrybutora sieci o udostępnienie profili dobowych zapotrzebowania na moc elektryczną (choć nie zawsze dane takie są rejestrowane przez dystrybutorów), w innych wypadkach należy stworzyć przykładowy profil zapotrzebowania, biorąc pod uwagę urządzenia stale pobierające energię w obiekcie, jak np. centrale wentylacyjne, wentylatory dachowe/kanałowe i inne urządzenia [6]. W zakresie energii cieplnej komplikacją staje się dwuznaczny i dwubiegunowy charakter zmienności w czasie zapotrzebowania na moc cieplną. W przypadku energii na cele grzewcze (c.o.) specyficznymi cechami są: duża zmienność sezonowa zapotrzebowania na moc cieplną do ogrzewania (brak ogrzewania poza sezonem grzewczym) oraz mała zmienność wykorzystania energii na cele grzewcze. Próbując wyszczególnić podstawowe cechy zmienności zapotrzebowania na energię cieplną do c.w.u., można je przedstawić jako przeciwstawne do celów wyżej wymienionych: mała zmienność sezonowa zapotrzebowania na moc cieplną do c.w.u. (stale wykorzystywana ciepła woda w gospodarstwach domowych) i duża zmienność dobowa [6].

Warunkiem efektywnego wykorzystania ciepła z jednostki kogeneracyjnej jest wystąpienie spójności wyżej wymienionych cech. Niestety, w przypadku obiektów mieszkalnych nie jest to możliwe do uzyskania, co wiąże się z powstaniem istotnego problemu z wysoce wydajnym wykorzystaniem układu micro-CHP.

Zaopatrzenie budynku wielorodzinnego w energię z układu micro-CHP

Analizie poddano budynek wielorodzinny z 60 mieszkaniami i dwoma lokalami usługowymi zlokalizowanymi na parterze, o łącznej powierzchni 200 m², oraz z garażem podziemnym. Łączna powierzchnia użytkowa budynku wynosi 4600 m². Przyjęto liczbę użytkowników budynku jako 215 osób. Obiekt zaopatrzony jest w centralne ogrzewanie w systemie pompowym zamkniętym z grzejnikami płytowymi oraz wentylację naturalną (grawitacyjną) dla lokali mieszkalnych zaopatrzoną w nasady hybrydowe, a także wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła z nagrzewnicami elektrycznymi w lokalach usługowych.

Zapotrzebowanie na energię cieplną

Jednym z podstawowych elementów doboru jednostki kogeneracyjnej jest wyznaczenie zapotrzebowania na energię cieplną dla budynku oraz jej zmienności w ciągu roku. Zapotrzebowanie na energię cieplną powinno być wprost proporcjonalne do możliwości produkcji energii z urządzenia ze względu na czas zwrotu nakładów inwestycyjnych. Energia cieplna stanowi jedną z dwóch podstawowych części składowych doboru odpowiedniego układu kogeneracyjnego. Drugim elementem analizy doboru jest zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jeśli te dwa parametry są dobrze zbilansowane, pozwalają na dobranie układu pokrywającego potrzeby energetyczne budynku przy najbardziej ekonomicznej pracy urządzeń.

W analizowanym budynku wyznaczono zapotrzebowanie na moc cieplną do ogrzewania pomieszczeń na poziomie 140 kW, natomiast moc źródła ciepła do przygotowania ciepłej wody wynosi 59 kW. Czyni to budynek energooszczędnym z jednostkowym zapotrzebowaniem na moc na poziomie ok. 30 W/m². Na podstawie danych uzyskanych z programu Audytor OZC stworzono wykres zapotrzebowania na energię cieplną do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody (rys. 2). 

Na wykresie tym widać miesięczny rozkład zapotrzebowania na energię cieplną, można go podzielić na dwa okresy: zimowy i letni, w którym zapotrzebowanie to ogranicza się do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Jest to wartość wystarczająca do pełnego wykorzystania jednostki kogeneracyjnej nawet w okresie letnim. Z powyższego wykresu wynika, że optymalnym rozwiązaniem będzie zastosowanie kotła szczytowego, który będzie wspomagał pracę jednostki kogeneracyjnej, żeby w pełni pokryć zapotrzebowanie na energię w budynku. Bardzo ważną przesłanką wyboru układu micro-CHP jest rozkład zapotrzebowania na moc cieplną [kW]. Za pomocą stworzonego profilu możliwe jest ustalenie wartości mocy grzewczej, która utrzymuje się na wyznaczonym poziomie w ciągu roku, oraz określenie wymaganej mocy urządzeń wytwórczych. Na rys. 3 przedstawiono przebieg średniego zapotrzebowania na moc cieplną w ciągu roku.

Zakładając standardowe wykorzystanie energii cieplnej na cele ogrzewania i przygotowania ciepłej wody, widać, że zastosowanie jednostki kogeneracyjnej ma rację bytu. Zarówno profil zapotrzebowania na energię cieplną [kWh], jak i moc cieplną [kW] wskazują na możliwość całkowitego wykorzystania energii cieplnej z układu mikrokogeneracji. Widoczna na rys. 4 czerwona linia wyznacza minimalny próg wykorzystania energii cieplnej, który zapewnia nieprzerwaną pracę jednostki przez cały rok (pod względem zagospodarowania energii cieplnej). 

Zapotrzebowanie na energię elektryczną

Drugim elementem decydującym o efektywnym wykorzystaniu pracy jednostki kogeneracyjnej jest zapotrzebowanie na moc elektryczną w budynku. W celu jego określenia w analizowanym przypadku wyznaczono profil zapotrzebowania w odstępach godzinowych. Dobowy profil przygotowany został w oparciu o dane poboru prądu dla budynku jednorodzinnego, na tej podstawie określono pobór mocy dla każdego lokalu mieszkalnego, uwzględniając procent wykorzystania odnoszący się do budynku jednorodzinnego. W analizowanym przypadku jest to 1/3 poboru mocy elektrycznej dla każdej godziny i każdego lokalu w stosunku do profilu budynku jednorodzinnego. W badaniu uwzględniono także pracę central wentylacyjnych w lokalach usługowych (łączna moc wentylatorów 638 W), pracę 49 dachowych nasad hybrydowych (łączna moc 735 W) oraz działanie wentylatora dachowego obsługującego garaż podziemny (moc 950 W). Dobowy profil zapotrzebowania został przygotowany według następujących założeń:

• profil zapotrzebowania dla okresu letniego,
• brak wykorzystania nagrzewnic elektrycznych w centralach wentylacyjnych,
• ciągła praca nasad hybrydowych,
• nocne osłabienie pracy wentylatorów w centrali (50% nominalnej mocy),   
• ciągła praca wentylatora dachowego dla garażu.

Widoczny na rys. 5 profil zapotrzebowania na moc elektryczną obrazuje przebieg zmienności poboru energii elektrycznej w ciągu doby. Z analizy można wywnioskować, że zapotrzebowanie na moc elektryczną waha się w granicach od 2 do nawet 19 kW w ciągu doby. Profil zużycia energii elektrycznej jest podstawą do wyznaczenia profilu wykorzystania jednostki kogeneracyjnej. Do rozważań przyjęto jednostkę kogeneracyjną XRGI EC Power (o modulowanej mocy elektrycznej od 4 do 9 kW i mocy cieplnej od 12 do 21,3 kW). W analizowanym budynku kryterium doboru, jakim jest wykorzystanie energii cieplnej, jak najbardziej zostało spełnione, natomiast pod względem mocy elektrycznej jednostka kogeneracyjna mogłaby działać w godzinach od 5.00 do 23.00. Biorąc pod uwagę ideę skojarzonej produkcji energii cieplnej i elektrycznej, określono czas funkcjonowania jednostki w ciągu roku jako 6940 h, co jest wynikiem dobrym pod względem czasu zwrotu nakładów inwestycyjnych.

Zwrot nakładów inwestycyjnych

Wykorzystanie układu gazowej mikrokogeneracji pozwala na osiągnięcie wysokich oszczędności na etapie eksploatacji, wynikających przede wszystkim z niższej ceny produkcji 1 kWh z gazu w stosunku do produkcji rozdzielnej oraz z wysokiej sprawności urządzeń dostępnych na rynku. Próbując porównać koszt wytworzenia energii z kogeneracji z kosztami zakupu energii z sieci energetycznej, można się posłużyć prostym przykładem obrazującym korzyści płynące z zastosowania mikrokogeneracji (tabela 1).

Porównanie kosztów zaopatrzenia budynku w energię w ciągu godziny (przy zainstalowanej mocy elektrycznej 20 kW oraz 40 kW mocy cieplnej) pokazuje oszczędności, jakie mogą wystąpić na etapie eksploatacji urządzeń kogeneracyjnych. Produkcja energii w układzie mikrokogeneracji jest tańsza o 38% w stosunku do produkcji tradycyjnej – rozdzielnej [7].

Analizując przypadek przedstawionego obiektu i możliwości zastosowania jednostki kogeneracyjnej XRGI, można sporządzić symulację okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych. 

Założenia przyjęte do analizy ekonomicznej:

• czas pracy jednostki: 6940 h,
• cena energii cieplnej: 0,15 zł/kWh,
• cena energii elektrycznej: 0,55 zł/kWh,
• cena gazu ziemnego: 1,40 zł/m³,
•  wartość opałowa gazu: 29,5 kW.

Opłacalność zastosowania gazowej mikrokogeneracji dla rozpatrywanego obiektu

Na rys. 6 przedstawiono czas zwrotu nakładów inwestycyjnych przy uwzględnieniu: czasu pracy jednostki, ilości wyprodukowanej energii, kosztów zakupu układu, kosztów projektu, kosztów eksploatacji urządzenia (zakup gazu ziemnego) oraz kosztów montażu i przeglądów serwisowych. Okres zwrotu inwestycji szacuje się na ok. 5 lat. Jest to bardzo dobry wynik, uwzględniając koszt zakupu urządzenia oraz jego montaż. Biorąc pod uwagę przedstawioną linię trendu, warto zauważyć, że po 5 latach zyski z tytułu wykorzystania kogeneracji znacząco wzrastają, od 2800 zł w szóstym roku użytkowania do aż 97 490 zł w dziewiątym roku. Z punktu widzenia ekonomicznego jest to inwestycja opłacalna, która już po kilku latach będzie „zarabiała”.

Przykład zastosowania układu micro-CHP w budynku wielorodzinnym o małej powierzchni

Przedstawiona powyżej możliwość zastosowania układu mikrokogeneracji w dużym budynku wielorodzinnym wskazuje na krótki okres zwrotu inwestycji. Ale jak takie rozwiązanie sprawdzi się w mniejszych obiektach, o niższych wartościach zapotrzebowania na moc i energię cieplną oraz elektryczną?

Wybrany do analizy obiekt jest budynkiem mieszkalnym wielorodzinnym o trzech naziemnych kondygnacjach z sześcioma lokalami mieszkalnymi, pomieszczeniem komórek lokatorskich, pomieszczeniem składowania odpadów oraz wydzielonym pomieszczeniem technicznym (kotłownią). Obiekt ten ma kształt zwartej bryły z płaskim dachem. Łączna powierzchnia użytkowa budynku wynosi 489,1 m² i jest on zamieszkiwany przez 20 osób. W budynku funkcjonować będzie instalacja centralnego ogrzewania pracująca w układzie pompowym zamkniętym z grzejnikami płytowymi oraz wentylacja naturalna (grawitacyjna) zaopatrzona w nasady hybrydowe. Na potrzeby tych rozważań w budynku zakłada się funkcjonowanie instalacji chłodniczej z klimakonwektorami zasilanej przez agregat absorpcyjny o mocy 25 kW (w celu całorocznego wykorzystania zainstalowanej mocy cieplnej). W analizie uwzględniono pracę jednostek wewnętrznych o mocach dobranych na podstawie szczegółowych obliczeń zysków ciepła w głównych pomieszczeniach, takich jak pokoje dzienne i sypialnie. Agregat absorpcyjny będzie zasilany czynnikiem grzewczym z jednostki kogeneracyjnej w okresie letnim.

Zapotrzebowanie na energię cieplną

Za pomocą modelu obliczeniowego sporządzonego w programie Audytor OZC uzyskano dane pozwalające określić miesięczne zapotrzebowanie na energię cieplną do ogrzewania. W analizowanym budynku wyznaczono zapotrzebowanie na moc cieplną do ogrzewania pomieszczeń na poziomie 22 kW, natomiast moc źródła ciepła do przygotowania ciepłej wody wynosi 13 kW. Wyniki przedstawiono na rys. 7. Wskazuje on, że w ciągu całego roku miesięczne zapotrzebowanie na energię nie schodzi poniżej 1900 kWh, występują natomiast duże wahania zapotrzebowania w stosunku do pór roku, co wpłynie znacząco na pracę jednostki kogeneracyjnej. Całkowite roczne zapotrzebowanie na energię wynosi 40 710,2 kWh. Jest to wartość o wiele mniejsza niż w przypadku wcześniej analizowanego większego budynku, co oznacza, że nie będzie możliwe wykorzystanie w 100% ciepła odpadowego z jednostki kogeneracyjnej. Spowoduje to wydłużenie okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych.

Zapotrzebowanie na energię elektryczną

Na podstawie przeprowadzonej symulacji określono zapotrzebowanie na energię elektryczną w poszczególnych miesiącach, uwzględniając liczbę mieszkańców i lokali, liczbę, rodzaj i moce urządzeń elektrycznych, a także czas ich wykorzystania oraz oświetlenie. Dodatkowo wzięto pod uwagę pory roku i zmienność wykorzystania energii w poszczególnych lokalach. Symulację sporządzono, bazując na doświadczeniu autorów oraz wiedzy ogólnej – ma ona charakter poglądowy. Rys. 8 obrazuje sporządzony roczny wykres zapotrzebowania na energię elektryczną z podziałem na poszczególne miesiące.

Największe zużycie energii elektrycznej w budynku występuje w okresie letnim (rys. 9). Spowodowane jest to pracą klimatyzatorów, których średni pobór mocy elektrycznej można oszacować na 600 W. Największe zapotrzebowanie na energię przypada na lipiec i sierpień, a łączne roczne zapotrzebowanie wynosi 21 681,2 kWh. Nie jest to jednak wartość warunkująca zasadność wykorzystania jednostki kogeneracyjnej. Bardzo ważnym kryterium oceny możliwości jej zastosowania jest określenie zapotrzebowania na moc elektryczną w ciągu całej doby.

Wykonano symulację profilu zużycia energii. Na podstawie otrzymanego profilu dla domu jednorodzinnego przyjęto 1/3 wartości dla każdej godziny i każdego mieszkania. W obliczeniach wzięto także pod uwagę wentylatory dachowe dla wyciągów z łazienek, które pracują w trybie ciągłym. Łączny pobór energii ośmiu wentylatorów wynosi 520 W. W ten sposób powstał przebieg dobowej zmienności zapotrzebowania na moc elektryczną.

W analizowanym budynku zapotrzebowanie na moc waha się w ciągu doby od 0,52 do 9,4 kW. Jednostka kogeneracyjna nie będzie w stanie działać przez całą dobę, co jest istotne ze względu na fakt, że w porze nocnej zapotrzebowanie na moc spada do nawet 520 W.

W ramach analizy porównawczej sporządzono alternatywny przebieg zmienności dobowego zapotrzebowania na moc elektryczną przy założeniu wykorzystania w budynku najnowocześniejszych urządzeń RTV i AGD z możliwością ustawienia czasu pracy i godziny ich włączenia oraz korzystania przez mieszkańców z nocnej taryfy, o wiele tańszej od standardowej dziennej. Wyniki przedstawiono na rys. 10.

W tym przypadku istnieje możliwość efektywnego wykorzystania jednostki kogeneracyjnej poprzez stałe zapewnienie minimalnej możliwej mocy elektrycznej w stosunku do mocy modulowanych w układach. W takiej sytuacji możliwe będzie wykorzystanie całego potencjału jednostki, oczywiście przy wykorzystaniu także energii sieciowej w godzinach, w których zapotrzebowanie przekracza maksymalne moce układu. Należy jednak pamiętać, że jest to wyłącznie symulacja, która może odbiegać od rzeczywistych wartości zapotrzebowania w danym budynku.

Wnioski

Wykorzystanie mikrokogeneracji w sektorze mieszkaniowym daje realne szanse na zmniejszenie kosztów eksploatacji budynków oraz emisji zanieczyszczeń do środowiska. W przypadku większych obiektów wykorzystanie jednostek kogeneracyjnych jest dużo bardziej opłacalne niż w budynkach mniejszych, głównie ze względu na okres zwrotu nakładów inwestycyjnych uzależniony od efektywnego wykorzystania czasu pracy układu, ale również od stosunkowo wysokiego i stabilnego zapotrzebowania na energię. Poddany analizie przykład wskazuje, że dla budynków wielorodzinnych powyżej 200 mieszkańców zastosowanie kogeneracji jest możliwe i ma uzasadnienie ekonomiczne.

Istotnym problemem jest rozdzielne opomiarowanie zużycia energii elektrycznej z kogeneracji i sieci zewnętrznej. Konieczne byłoby wyprowadzenie całej energii elektrycznej na zewnątrz, np. do sieci. Przemawia za tym również duża zmienność zapotrzebowania na moc elektryczną w stosunku do poziomu mocy cieplnej.

Literatura

1. Duda J., Kłosowski M., Tomasiak J., Mikrokogeneracja szansą rozwoju ekoinnowacyjnych systemów ogrzewania, „Innowacje w zarządzaniu i inżynierii produkcji”, tom I, Polskie Towarzystwo Zarządzania Produkcją, Opole 2016.
2. DELTA Energy & Environment, The Benefits of Micro-CHP.
3. DELTA Energy & Environment, Cogen Europe – Micro CHP: Empowering people today for a smarter future tomorrow.
4. Kiciński J., Lampart P., Kogeneracja w dużej i małej skali, „ActaEnergetica” nr 2/2019.
5. Simader G.R., Krawinkler R, Trnka F., Micro CHP systems: state-of-theart, Austrian Energy Agency, Vienna 2006.
6. Skorek J., Zastosowanie gazowych układów mikrokogeneracyjnych w budownictwie komunalnym, „Instal” nr 2/2017.
7. Popczyk J., Wałek T., Kaleta P., Juszczyk J., Skrzypek A., Referencyjne zastosowanie gazowej mikrokogeneracji MCHP XRGI w prosumenckiej energetyce budynkowej, Biblioteka Źródłowa Energetyki Prosumenckiej, 2013.
8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2012/27/UE z dnia 25 października 2012 r. w sprawie efektywności energetycznej, zmiany dyrektyw 2009/125/WE i 2010/30/UE oraz uchylenia dyrektyw 2004/8/WE i 2006/32/WE (Dz.Urz. UE L 315/1)
9. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (DzU 2015, poz. 478, z późn. zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!