Transformacja ciepłownictwa przy zastosowaniu hybrydowego układu zestawionego z Turbiny Gazowej, Termicznej Farmy Solarnej oraz Akumulatora Ciepła

Transformacja ciepłownictwa systemowego w Polsce to jeden z kluczowych obszarów działania naszych inżynierów. Rynek oczekuje systemów umożliwiających odejście od konwencjonalnych technologii węglowych na rzecz niskoemisyjnych rozwiązań przy zachowaniu dotychczasowych cen ciepła dla odbiorcy końcowego.

Powołany w ramach działalności Enerii zespół OZE, Dekarbonizacji i Rozwoju opracowuje koncepcje hybrydowych układów gaz – OZE, których wdrożenie jest doskonałą drogą do dekarbonizacji mocy wytwórczych.

To właśnie rzeczona dekarbonizacja jest obecnie wyzwaniem dla polskiego sektora ciepłownictwa. W przeważającej części dotyczy większych układów ciepłowniczych o mocach zamówionych powyżej 20MWt, dla których istnieje konieczność spełnienia wymagań Efektywnego Systemu Ciepłowniczego.

Efektywny System Ciepłowniczy

Do końca 2025 roku, za efektywny energetycznie system ciepłowniczy uważamy taki, w którym do produkcji ciepła wykorzystuje się co najmniej w 50 proc. energię z OZE lub zagospodarowane ciepło odpadowe, lub w 75 proc. ciepło pochodzące z kogeneracji. Regulator dopuszcza też miks powyższych źródeł.

W kolejnych latach  wymagania będą zaostrzane i zbudowanie systemu spełniającego nowe wymagania będzie jeszcze większym wyzwaniem.

Do 31 grudnia 2027 roku – efektywny energetycznie system ciepłowniczy ma wykorzystywać 50 proc. energii odnawialnej lub 50 proc. ciepła odpadowego, lub 80 proc. ciepła pochodzącego z kogeneracji, lub w co najmniej 50 proc. połączenie źródeł energii i ciepła, o których wspomniano wcześniej. To zaostrzenie wymagań odnośnie instalacji CHP powoduje duże utrudnienie dla zbilansowania układu opartego o duże silniki gazowe powyżej 5 MWt.

Doskonałą jednostką CHP dla tej skali inwestycji jest turbina gazowa, co szerzej zostało wyjaśnione w dalszej części niniejszej publikacji.

Koncepcja układu hybrydowego – studium przypadku

W odpowiedzi na zapytanie ofertowe danego, przedsiębiorstwa energetyki cieplnej, przygotowaliśmy koncepcję kompleksowej dekarbonizacji mocy wytwórczych. Obecnie w omawianej ciepłowni jest używane 8 kotłów węglowych o sumarycznej mocy 98 MWt. Układ zasila w energię cieplną odbiorców indywidualnych jak i obiekty użyteczności publicznej. Analizowaliśmy różne technologie w celu spełnienia następujących założeń:

• Zastąpienie obecnych mocy wytwórczych;
• Utrzymanie cen ciepła systemowego;
• Możliwość rozbudowy układu poprzez skalowanie;
• Zgodność z wymaganiami efektywnego systemu ciepłowniczego po 2028;
• Dywersyfikacja przychodów (sprzedaż energii elektrycznej);
• Zapewnienie samofinansowania przedsiębiorstwa;
• Dostępne 60MW gazu, bez możliwości zwiększenia przesyłu;
• Budżet do 150 milionów złotych.

Jako wariant najlepiej wpasowujący się w profil jak i podane wyżej warunki brzegowe uznaliśmy układ zbudowany w oparciu o poniższe elementy:

• Układy kogeneracyjne zbudowane na bazie turbiny gazowej Caterpillar Solar Turbines,
• Kotły gazowe szczytowe
• Akumulator ciepła,
• Źródło wytwórcze OZE zbudowane na podstawie kolektorów słonecznych TVP Solar

Układ Kogeneracyjny – Turbiny Gazowe

Będąc wyłącznym dystrybutorem urządzeń Caterpillar w Polsce, przeanalizowaliśmy również możliwość zastosowania silników gazowych CAT w różnych wariantach mocy, ale nie widzimy tutaj zasadności ich zaoferowania. Przy dużych mocach nie jest to po prostu rozwiązanie ekonomiczne. Silniki doskonale sprawdzają się w układach o mniejszych mocach poniżej 5 MWt. W przypadku tak kompleksowej dekarbonizacji przy niedużej ilości dostępnego gazu to rozwiązanie nie dość, że jest droższe, to jeszcze nie spełniłoby wymagań Efektywnego Sytemu Ciepłowniczego.

Przeanalizowaliśmy kilka wariantów układów kogeneracyjnych dla PEC. W niniejszej koncepcji zaprezentowane zostały dwa, które są najkorzystniejsze ze względu na nakłady i profil pracy przedsiębiorstwa. Przekazano nam dane odnośnie dostępnej mocy w paliwie gazowym oraz ciśnieniu gazu. Obydwa warianty są wyposażone w możliwość zasilania olejem napędowym w celu zapewnienia pokrycia mocy zamówionej przy niewystarczającej ilości paliwa gazowego. Spalanie ON w kogeneracji pozwala na uniknięcie akcyzy i sprzedaż energii elektrycznej. Olej trzeba regularnie zużywać w celu uniknięcia jego degradacji, gdyż spalanie w kotle gazowo – olejowym nie jest ekonomiczne z punktu widzenia gospodarowania zasobami.

Wariant 1:

• 2x Turbina Gazowa Mars 100, 10,3 MWe & 19 MWt

Wariant 2:

• 3x Turbina Gazowa Taurus 60, 5,67 MWe & 12 MWt

Dla obydwu wariantów przewidziano współpracę z akumulatorem ciepła, który jest doskonałym rozwiązaniem dla przedsiębiorstwa PEC.

Turbiny Gazowe w gotowej zabudowie kontenerowej PGM (Power Generation Module).

PGM jest to jednostka generacyjna przyszłości. Nowoczesne ciepłownictwo wymaga czystych i ekonomicznych źródeł energii cieplnej dla odbiorców indywidualnych. Zastosowanie turbin gazowych zamiast kotłów węglowych umożliwia dywersyfikację przychodów PEC oraz utrzymanie stabilnych cen ciepła.

Decydując się na taki produkt, klient skraca do minimum czas realizacji, prace projektowe i budowlane. PGM to zabudowana turbina gazowa, wraz z wszystkimi potrzebnymi instalacjami, gotowa do pracy w ciągu kilku dni od posadowienia jej u klienta. Produkt ten oferujemy w mocach od 3,5 MW_e do 16,5 MW_e.

PGM by Solar Turbines to:

• Źródło energii na którym możesz 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.

W przypadku kiedy prefabrykowane rozwiązanie PGM nie spełnia wymagań klienta, możemy zaprojektować i wykonać układ kogeneracyjny szyty na miarę przy użyciu każdej z turbin z portfolio Caterpillar Solar Turbines.

Termiczna Farma Solarna – TVP Solar

Termiczne panele słoneczne były do tej pory uważane za domenę krajów Południa, rozwiązanie zdawało się być wyparte przez bardzo popularne instalacje PV. To rozwiązanie może mieć jednak znaczący wkład w dekarbonizację ciepłownictwa systemowego w Polsce i innych krajach regionu. Kluczem jest dobór odpowiedniej technologii do wyzwań stawianych przed sektorem.

We współpracy ze szwajcarską firmą TVP SOLAR SA wprowadziliśmy na rynek unikalny produkt jakim są próżniowe, wysokotemperaturowe Termiczne Panele Solarne zaprojektowane z myślą o instalacjach o dużych mocach cieplnych powyżej 500 kWt. Panele są produkowane w Europie, a za cały program odpowiadają byli pracownicy CERN w Szwajcarii.

Co czyni nasze instalacje wyjątkowymi?

Perfekcyjne opanowanie technologii wysokiej próżni, która przechwytuje ciepło słoneczne, zatrzymując je za grubym szkłem paneli w celu podgrzania wody do 200°C. Bez żadnych strat ciepła. Dzięki wydajności na poziomie 3MWt z hektara powierzchni, nasza instalacja zawsze osiąga temperaturę zadaną, niezależnie od pory roku. Panele TVP Solar w odróżnieniu od innych technologii dostępnych na rynku odbierają energię z promieni bezpośrednich jak i światła dyfuzyjnego, co w polskich warunkach umożliwia pracę przez cały rok. Tym samym jesteśmy w stanie generować ciepło również zimą.

• Przyjęto moc zainstalowaną na poziomie 5 MWp co odpowiada połowie dostępnej działki (powierzchnia zabudowy 14000 m2).
• W skali całego roku jesteśmy w stanie wygenerować około 8000 MWh energii cieplnej w postaci wody sieciowej.
• W okresie letnim (czerwiec – sierpień) pokryjemy zapotrzebowanie generowane przez odbiorców w ciągu dnia (8 – 10 godzin dziennie).
• Układ będzie pracował cały rok.
• Istnieje możliwość zbudowania większej instalacji w ramach dostępnego terenu.
• Gwarancja to 25 lat i przy tak założonym czasie eksploatacji cena ciepła nie przekracza 45PLN / GJ.
• W prezentowanym układzie udział ciepła z OZE to około 8 procent, co spełnia wymagania efektywnego systemu ciepłowniczego.

Akumulator dzień / noc

W proponowanym przez nas rozwiązaniu uwzględniamy akumulator ciepła o pojemności 20 MWh / 700 m³.

Jest to minimalny rozmiar zapewniający efektywne działanie całego układu. Akumulator jest sprzęgłem pomiędzy instalacją kogeneracyjną a panelami TVP. Umożliwia ładowanie akumulatora latem tylko w sytuacji, kiedy produkcja energii elektrycznej jest opłacalna dla użytkownika.

Układ Hybrydowy – podsumowanie

Prezentowane przez nas rozwiązanie to najprostsza droga do dekarbonizacji PEC przy zachowaniu racjonalnych kosztów inwestycji.

Turbiny gazowe w układzie CHP uzupełnione o kotły wodne i akumulator ciepła to:

• Możliwość pracy przez cały rok;
• Spełnienie wymagań efektywnego systemu ciepłowniczego;
• Zagospodarowanie dostępnej mocy w paliwie;
• Najwyższa redundancja układu;
• 6 – 7 letni okres eksploatacji głównych urządzeń do remontu;
• Dywersyfikacja przychodów;
• Niskie nakłady w porównaniu do konkurencyjnych technologii;
• Bezobsługowe rozwiązanie zapewniające spokój;
• 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.

mail: jbigoszewski@eneria.pl

Autor: Jakub BIGOSZEWSKI

Kierownik produktu, Ekspert ds. Turbin Gazowych