GMINNE / LOKALNE CENTRA ENERGETYCZNE Jan Kiciński Przy współpracy: J. Mikielewicz, E. Ihnatowicz, D. Butrymowicz, P. Lampart, S. Bykuć, G. Żywica.

Prezentacja na temat: "GMINNE / LOKALNE CENTRA ENERGETYCZNE Jan Kiciński Przy współpracy: J. Mikielewicz, E. Ihnatowicz, D. Butrymowicz, P. Lampart, S. Bykuć, G. Żywica."— Zapis prezentacji:

1 GMINNE / LOKALNE CENTRA ENERGETYCZNE Jan Kiciński Przy współpracy: J. Mikielewicz, E. Ihnatowicz, D. Butrymowicz, P. Lampart, S. Bykuć, G. Żywica

2 REWOLUCJA ENERGETYCZNA NA ŚWIECIE – TRZY FILARY: -STANOWISKO USA – MNIEJ DROGIEJ ROPY OD NIEDEMOKRATYCZNCH KRAJÓW NAFTOWYCH -NOWA POLITYKA ENERGETYCZNA UE – SŁYNNE 3X20, EMISJA CO2 KRYTYCZNA -ŚWIATOWY WYBUCH INNOWACYJNYCH TECHNOLOGII ENERGETYCZNYCH NOWY TREND: ROZPROSZONA ENERGETYKA ODNAWIALNA PRODUKCJA EKOLOGICZNEJ ENERGII W SKOJARZENIU: POLIGENERACJA ŹRÓDŁA ŚWIATOWE: NAJBARDZIEJ EFEKTYWNA TECHNOLOGIA TO ZGAZOWANIE FERMENTACYJNE ROŚLIN ENERGETYCZNYCH I KONWERSJA BIOMETANU W SKOJARZENIU (AGREGATY KOGENERACYJNE: SPRAWNOŚĆ KONWERSJI ENERGII PIERWOTNEJ NA ENERGIĘ KOŃCOWĄ (CIEPŁO, PRĄD): 85%

3 Zielony Duch Kapitalizmu – Zielona rewolucja Proces przemian ilustruje np.: transformacja koncernu General Electric (USA) Prezes Jeff Immelt: Ostra polityka klimatyczna nie tylko nie grozi amerykańskiej gospodarce, lecz wręcz jest warunkiem jej rozwoju Raport McKinsey: Konsekwencje redukcji CO2 w USA: nakłady antyemisyjne będą zrównoważone z naddatkiem przez zmniejszenie zużycia energii, wpływy ze sprzedaży nowych technologii i uniezależnienia się od importu surowców. Jeff Immelt: Potrzebne jest silne polityczne przywództwo, a mniej wiary w wolny rynek. Rada dla Polski: Dziś waszych argumentów już nikt nie przyjmie. Spóźniliście się, a więc weźcie się do roboty i nie walczcie z UE o emisje. Źródło: Polityka, wyd.16, październik 2008, Niezbędnik Inteligenta, Edwin Bendyk, Zielony duch kapitalizmu

4 TENDENCJE: ENERGETYKA ROZPROSZONA oparta na odnawialnych źródłach energii – atrakcyjne rozwiązanie To co jest określane jako generacja rozproszona jest nowym modelem systemu elektroenergetycznego, opartym na integracji w sieci elektrycznej wytwórców małej i średniej skali wykorzystujących nowe i odnawialne technologie energetyczne. Prowadzić to może do nowej ery, w której tysiące lub miliony użytkowników będzie dysponować własnymi źródłami, stając się zarówno konsumentami jak i producentami energii elektrycznej. Wszystkie te źródła będą połączone przez w pełni interaktywną i inteligentną sieć elektryczną. Ta rewolucja wymagać będzie wyrafinowanych technik sterowania ……,ustanowienia nowych modeli dystrybucji energii…. Philippe Busquin Komisarz Europejski ds. badań CFHP: Poligeneracja rozproszona: duża liczba małych jednostek wytwórczych produkujących ciepło, prąd i paliwa (gazowe lub ciekłe) o małych mocach: Wirtualne przedsiębiorstwa (virtual utility) Energetyka domowa (home power system) Jako wprowadzenie: CFHP - Small-scale Combined Fuel, Heat and Power

5 Scentralizowana produkcja w połowie lat 80 Zdecentralizowana produkcja dzisiaj Przyszłość – kooperacja: Jest taki kraj - Dania Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym

6 Nieefektywny System Zcentralizowany produkcji energii elektrycznej 10% Strat Wytwarzania 35% energii zużytej w domu 90% energii zużytej w domu Kogeneracja rozproszona: Efektywna produkcja energii elektrycznej w Mini-i Mikrosiłowniach 60% Strat wytwarzanie en. elektrycznej Konwencjonalne paliwo lub biomasa 5% Strat transmisji ENERGETYKA ROZPROSZONA - ZALETY

7 Energia odnawialna - obecne wyobrazenia: biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa i energetyka wiatrowa. Czyli na rynku końcowym reprezentowana jest obecnie tylko w postaci energii elektrycznej. Według tych wyobrażeń nie wypełnimy celów pakietu 3x20. Konieczne są nowe technologie. 1. – blok jądrowy, sieć przesyłowa, 2 – blok na węgiel brunatny, sieć przesyłowa, 3 – blok na węgiel kamienny, sieć przesyłowa, 4 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć 110 kV, 5 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć ŚN, 6 – kogeneracyjne źródło gazowe, sieć nN, 7 – zintegrowana technologia wiatrowo-gazowa, sieć 110 kV, 8 – biometanowe źródło kogeneracyjne, sieć ŚN, 9 – mała elektrownia wodna, sieć ŚN, 10 – ogniwo paliwowe. 10 euro/tonę 40 euro/tonę ceny uprawnień do emisji CO2 Źródło: J. Popczyk – Program IERE, H. Kocot. Najlepsze: Biometanowe źródło kogeneracyjne Najgorsze: bloki na wegiel kamienny i brunatny Najlepsze: technologie biomasowe Najgorsze: bloki węglowe

8 Opłacalność produkcji Technologia OZE Cena rynkowa [PLN/ MWh] Dopłat a min [PLN/M Wh] Dopłat a max [PLN/M Wh] Cena " zielonej" energii elektrycznej [PLN/MWh] IRR kapitału własnego dolna 118+154 górna 118+190 przy cenie dolnej przy cenie górnej Mała elektrownia wodna * 1181541902723084,02%6,18% * Elektrownia wiatrowa* 1181541902723088,13%10,79% Duża elektrownia wodna* 1181541902723087,90%10,17% Elektrociepłowni a opalana biomasą 11815419027230819,15%22,82% Współspalanie biomasy elektrowni kondensacyjnej 11815419027230880,08%100,33% Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym

9 A u nas? Podstawowe aktualne dokumenty: -Polityka Energetyczna Polski – Strategia do 2030 roku. Projekt Ministerstwa Gospodarki -Program IERE (Innowacyjna Energetyka. Rolnictwo Energetyczne) Projekt Ministerstwa Gospodarki/Rolnictwa -Program Rozwoju Biogazowni Rolniczych Projekt Ministerstwa Gospodarki/Rolnictwa Bezpieczeństwo energetyczne - energia z własnych zasobów - energetyka odnawialna Generacja rozproszona - Lokalne wykorzystanie zasobów Produkcja energii w skojarzeniu: kogeneracja i poligeneracja w małej skali Gminne Centra Energetyczne, Domowe Mikrosiłownie Kogeneracyjne

10 Pakiet klimatyczno-energetyczny wymusi zupełnie nowe spojrzenie i nowe kalkulacje w polskiej energetyce Obecne wyobrażenia o energetyce odnawialnej to: biomasa wykorzystana we współspalaniu, hydroenergetyka przepływowa i energetyka wiatrowa. To spojrzenie musi się zmienić. Wzrośnie rola rolnictwa energetycznego i technologii biomasowych Energetyka odnawialna jest dotowana ( certyfikaty zielone, czerwone i żółte kosztują) ale energetyka węglowa będzie też droga - koszt koniecznego zakupu uprawnień do emisji CO2. 20% udział odnawialnych UE: CELE NA ROK 2020 20% ograniczenie zużycia energii 20% redukcja emisji gazów cieplarnianych Koszty zakupu uprawnień do emisji CO2 wszystko zmienią

11 2000 2010 2006 źródło: Energia elektryczna ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych w zakupach zakładów energetycznych, Biuletyn URE 5/2001, Kamieński Z. (M.G.) Stan obecny i perspektywy rozwoju wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych w Polsce ECO-URO-ENERGIA 2007 STRUKTURA I PERSPEKTYWY ROZWOJU ENERGETYKI ODNAWIALNEJ W POLSCE 2.5-3 % Udział OZE w produkcji energii elektrycznej 7.5 % Rosnący udział biomasy!!!

12 ROLNICTWO ENERGETYCZNE - PROGRAM IERE Podsumowanie: podstawowe założenia i przesłanki - rok 2020: Użytki rolne: 18.6 mln ha Użytki rolne niezbędne do pokrycia potrzeb żywnościowych 7.4 mln ha Dostępne zasoby dla rolnictwa energetycznego 11.2 mln ha Do 2020 r. wykorzystamy 25% użytków rolnych czyli 4.65 mln ha = ok.. 2 mln ha ekwiwalentnych 2 mln ha ekw. =160 TWh na rynku energii pierwotnej z rolnictwa energetycznego Ponadto: 20 TWh z energii wiatrowej 6 TWh z energii wodnej ---------------------------------------------------------------- Razem: 166 TWh z energii odnawialnej Ile to będzie ? Szacowany Rynek energii końcowej w Polsce w 2020: Energia elektryczna: 190 TWh Energia cieplna: 240 TWh Paliwa transportowe: 210 TWh ------------------------------------------------------------------ Razem 640 TWh Oznacza to, że udział energii odnawialnej może wynieść 166/640 = ok.. 26% w 2020r !!! Polska w 2020 ma mieć wg założeń pakietu 3x20 15% udziału energii odnawialnych w całym polskim rynku energii końcowej obejmującej energię elektryczną, cieplną i paliwa transportowe, czyli wystarczy ok.. 100 TWh. A zatem: Polska może z nadwyżką wypełnić nasze zobowiązania względem UE wynikające z pakietu 3x20 Źródło: J. Popczyk, Program IERE

13 Redukcja emisji CO2 (gazów cieplarnianych) Roczna emisja całkowita CO2 wynikająca ze spalania węgla kamiennego i brunatnego - 254 mln ton Przydział na 2008 przyanany przez KE - 208.5 mln ton Brakuje: 45.5 mln ton uprawnień CO2, Przyjmując koszt brakujących uprawnień ok.. 140zł/t CO2 daje to sumę 6.37 mld zł Tymczasem tylko 1 mln ha ekw. obniża emisję CO2 o 56 mln ton! (w wyniku substytucji spalania węgla kamiennego i brunatnego).Ten 1 mln ha ekw. jest realny już w 2013r. Ile Centrów Energetycznych ? Skala wyzwań Zakładamy, że Gminne Centrum Energetyczne może składać się z modułów kogeneracyjnych CHP-ORC o mocy elektrycznej 1 MWe i cieplnej 4MWc (moc całkowita modułu kogeneracyjnego ok.. 5.5 MW uwzględniając straty przy sprawności 90%). Załóżmy,że Centrum pracuje w okresie 0.75 roku przy sprzedaży również chłodu (reszta to okres postoju ) Czyli 5.5 MWx0.75x12 miesięcyx30 dnix 24 h = 36 GWT Do roku 2020: Aby przerobić 160 TWh z rolnictwa energetycznego wg programu IERE (2 mln ha ekw. 2020 rok) Potrzeba 160 TWh / 36 GWh = 4440 = ok.. 5000 Gminnych Centrów Energetycznych !!! (biogazowni skojarzonych z modułami kogeneracyjnymi ) o łącznej mocy elektrycznej 5000 MW. W Polsce mamy 2489 gmin, czyli wypada ok.. 2 biogazownie w każdej Gminie Do roku 2013: powinniśmy wybudować zakładając wykorzystanie 1 mln ha ekw. (wg programu IERE) 65 TWh / 36 GWh = 1800 Gminnych Centrów Energetycznych

14 OZE w Polsce: Scenariusze do 2020: I. Do 2013 – zagospodarujemy 1 mln ha ekw, wybudujemy potrzebną ilość biogazowni i urządzeń kogeneracyjnych, a także wybudujemy inne źródła odnawialne (siłownie wiatrowe, wodne) i wypełniamy z nadwyżką zobowiązania Polski wynikajace z pakietu 3x20. W efekcie możemy zgodzić się na pełny system aukcyjny w handlu przydziałami emisji CO2 w sektorze energetycznym, tak jak planuje to Komisja Europejska. Oznacza to, że od 2013 r. producenci energii będą musieli nabywać na aukcjach 100 % potrzebnych uprawnień do emisji CO2 (tzw. pełny aukcjoning). Przy dalszej rozbudowie potencjału rolnictwa energetycznego do 2020 (zagospodarowanie 2 mln ha ekw) możemy czerpać korzyści z handlu przydziałami uprawnień do emisji CO2. II.Nie zdołamy wypełnić powyższego scenariusza. Takie obawy ma polski rząd i wielu ekspertów. Polska proponuje rozwiązanie alternatywne, czyli aukcjoning częściowy: 2013 zakup tylko 20% uprawnień-reszta za darmo, w 2020 100% zakupu na aukcji. Pomiędzy tymi latami stopniowy wzrost kwoty aukcyjnej. Polska propozycja ma poparcie kilku krajów. Rząd polski uważa, ze czysta Europa tak, ale nie za wszelką cenę i nie poprzez wyeliminowanie węgla z jej terytorium. Takie działania obniżą konkurencyjność unijnej gospodarki i zwiększą globalną emisję CO2. Bariery. Czy je pokonamy? - Brak na terenach Gmin infrastruktury sieci elektroenergetycznych umożliwiających pełny odbiór wyprodukowanej energii - Niestabilność rozwiązań prawnych np.: nagłe zmiany akcyzy. Polskie regulacje prawne i narodowy system wspierania OZE muszą ulec zmianie. Propozycja: jednolity system certyfikacji zielonej energii elektrycznej, zielonego ciepła, zielonego gazu i zielonej benzyny [J. Popczyk]. - Długofalowa i spójna strategia rozwoju sektora OZE - priorytet rządu - Brak czytelnego rynku biomasy. Trzeba przełamać niechęć dużych przedsiębiorstw energetycznych do tworzenia grup producenckich skupiających małych i średnich producentów biomasy. - Brak krajowych wymagań co do jakości biogazu, nierównomierne rozmieszczenie gazowej sieci dystrybucyjnej. A zatem: Jaki scenariusz? Plany Ministerstwa Gospodarki: 1.Program rozwoju biogazowni rolniczych luty 2008. Do 2020 w każdej Gminie przynajmniej jedna biogazownia rolnicza. Łączna moc el. 2-3 tys. MW. 2. Program IERE ?

15 Transport drogowy CNG i LNG. Zatłaczanie do istniejacych sieci gazowych na gaz ziemny Gminne / Lokalne Centra Energetyczne na bazie upraw energetycznych Biogazownie / biorafinerie skojarzone z urządzeniem poligeneracyjnym Dedykowane uprawy roślin energetycznych Uprawy roślin lignocelulozowych Biogazownia rolnicza fermentacyjna Biorafinera Kukurydza Wierzba Urządzenie Poligeneracyjne CHP-ORC Paliwa II generacji Prąd Ciepło Chłód Biogaz (biometan) Biometanol Biomasa wodna

16 Biogazownie zintegrowane z modułami kogeneracyjnymi CHP. Klasyfikacja mikroCHP-ORC 1-5 KWe Domowe Siłownie Kogeneracyjne mikroCHP-ORC do 50 KWe Mikrobiogazownie CHP-ORC 0.5 – 2 MWe miniCHP-ORC 0.1 – 1.5 MWe Obiekty użyteczności publicznej Gminne Centra Energetyczne Biogazownie rolnicze Biogazownie komunalne / utylizacyjne Biogazownie Energetyczne Gminne Centra Energetyczne

17 Biogazownia Rolnicza Fermentacyjna (technologie rozwojowe) Biogazownia Komunalna Utylizacyjna (technologie najbardziej opanowane) Biorafineria (technologie rozwojowe) Biomasa Roślinna. Uprawy dedykowane np.: kukurydza Zaczyn fermentacyjny np.: gnojowica szczepionki Odpady komunalne, ścieki Biomasa roślinna Biomasa lignolelulozowa np.: wierzba Biogaz / Biometan Biometanol Biogazownie / Biorafinerie

18 Szacowany koszt instalacji GCE Orientacyjny koszt kocioł wielopaliwowy spalający biomasę (z olejem termalnym w obiegu odbioru ciepła) o mocy 6 MW 4 mln zł kocioł wielopaliwowy wspomagający w okresach szczytowego zapotrzebowania na ciepło o mocy 3 MW 2 mln zł moduł ORC o mocy 1 MW el 7 mln zł biogazownia rolniczo-odpadowa o wydajności zapewniającej pracę kotła z zakładaną mocą 12 mln zł zakład przetwarzania biomasy – wytwarzanie paliw stałych i ciekłych4 mln zł RAZEM29 mln zł Według obliczeń szacunkowych w Polsce potrzeba ok. 5000 GCE o mocy elektrycznej 1 MW (5000 MW mocy elektrycznej) 5000 x 29 mln zł = 145 mld zł gdyby zastosować tylko biogazownię + ORC 5000 X 23 mln zł = 115 mld zł Źródło: W. Miąskowski,K. Nalepa UWM Olsztyn

19 Korzyści z tworzenia GCE produkcja energetyczna do 4 mln ha produkcja żywności zmiana struktury produkcji rolniczej i aktywizacja niewykorzystanych obszarów zmniejszenie emisji CO 2 o 55 mln ton rocznie wytworzenie 125TWh energii z OZE (22% udziału w polskim rynku energii) stworzenie miejsc pracy 100-150 tyś 2,3 mln ha odłogów i ugorów Zagospodarowanie odpadów produkcyjnych i komunalnych Źródło: W. Miąskowski, K. Nalepa UWM Olsztyn

20 Co proponujemy? Tam gdzie już istnieje zapotrzebowanie na ciepło (w gminach lub u odbiorców indywidualnych) zamiast tradycyjnej modernizacji przestarzałych kotłowni ( modernizacji na biomasę lub biogaz ) i w dalszym ciągu wytwarzania tylko ciepła proponujemy modernizację połączoną z wytwarzaniem ciepła i prądu a więc z wyposażeniem kotła w generator prądu. Proponujemy wytwarzanie zielonego prądu w kogeneracji w małej i rozproszonej skali bazujące na lokalnych zasobach biomasy, czyli właśnie mCHP W efekcie otrzymujemy znacznie wyższą sprawność ekonomiczną, ponieważ rynkowa cena prądu jest znacznie wyższa niż ciepła. Wskaźniki ekonomiczne wypadają jeszcze lepiej w przypadku poligeneracji, czyli produkcji dodatkowo chłodu (cena chłodu jest najwyższa ) W przypadku małych mocy kalkulacja musi być inna: kocioł i tak musimy mieć. W mCHP dodatkowo otrzymujemy prąd. Prąd elektryczny jest tu jako byproduct ok.. 10-20% mocy – to czysty zysk.

21 Możliwe rozwiązania techniczne Technologia ORC (Organic Rankine Cycle) na czynniki niskowrzące dla obiegów parowych Mini – i Mikroturbin w kogeneracji Wg naszej opinii jest to najbardziej obiecująca technologia o krótkim horyzoncie czasowym realizacji Miniturbiny (Gminne Centra Energetyczne) Moc Cieplna: kilkaset KW do 5 MW Moc elektr. Kilkadziesiąt KW do 1 MW Mikroturbiny (Domowe Mikrosiłownie Kogeneracyjne) Moc Cieplna: kilkadziesiąt KW Moc elektr. Kilka do kilkanaście KW CZYNNIK NISKOWRZĄCY W POSTACI CIECZY CZYNNIK NISKOWRZĄCY W POSTACI PARY WODA GORĄCA DWA ODRĘBNE OBIEGI: CZYNNIK NISKOWRZĄCY I WODA mCHP-ORC

22 Dlaczego ORC ? (na czynnik niskowrzący) Cechy układów ORC w skali mini i mikro: oferują (jako jedyne) wysoką elastyczność kogeneracji, w tym zapewniają w łatwy sposób możliwości poligeneracji możliwe rozwiązania modułowe: dostosowanie do istniejącej infrastruktury, obniżenie kosztów, wymagane niskie kwalifikacje personelu do montażu, obsługi i serwisowania zapewniają elastyczność współpracy z różnymi źródłami energii (także ciepło odpadowe) w mCHP energia elektryczna będzie produkowana jako produkt uboczny –dodatkowy, przy zapewnieniu normalnej produkcji ciepła, tym samym wykorzystując lepiej dostarczaną energię do domu zmniejszając globalnie emisje szkodliwą dla środowiska towarzyszącą produkcji ciepła i energii elektrycznej. mCHP może produkować ciepło i energię elektryczną z energii odnawialnych i tradycyjnych. w najbliższych trzech latach mCHP będzie na rynku i spotka się z oczekiwaniami wielu przyszłych użytkowników. Okres spłaty mCHP wynosi ok. 4-5 lat. Nasze założenia występują tu niższe temperatury do ok.. 200 stop.C, podczas gdy w turbinie parowej ok.. 400 C, a wiec tańsze materiały

23 FILOZOFIA POLIGENERACJI Stan obecny: modernizacja kotłowni Przyszłość: poligeneracja mCHP ORC biomasa węgiel ciepło użytkowe Wady: przestarzała infrastruktura kotłowni - częściowo modernizowana w oparciu o tradycyjne technologie, bardzo duża konkurencja na rynku; niska atrakcyjność w porównaniu z indywidualnymi systemami grzewczymi biomasa ciepło użytkowe energia elektryczna klimatyzacja Na bazie ciepła uzyskiwanego z biomasy lub biogazu – produkcja ciepła użytkowego, energii elektrycznej i chłodu w innowacyjnej modułowej technologii z mikroturbiną ORC biogazownia

24 Zastosowanie kogeneracji pozwala na pełne wykorzystanie egzergii ciepła (potencjału temperaturowego) 80 kW ciepła 80 kW ciepła + 20 kW energii elektrycznej z mikrosiłowni (20 % sprawności) – 100 kW ciepła napędowego) 85 o C 985 o C 20 kW en. elektr. z elektrowni zaw. (33% sprawności) Tyle trzeba paliwa bez kogeneracji by uzyskać ciepło i prąd Tyle mniej potrzeba paliwa w kogeneracji by uzyskać tą samą ilość ciepła i prądu Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart

25 Minisiłownia mCHP ORC – Sprawność energetyczna i ekonomiczna biomasa ciepło 80% energia elektryczna 20% 53% 47% Łącznie 70% więcej w kogeneracji Założenie: max: 20% udział en. elektr. Sprawność energetyczna obu układów (z kogeneracją lub bez ) jest podobna Zupełnie inaczej przedstawia się sprawność ekonomiczna KOGENERACJA(CIEPŁO I PRĄD) BEZ KOGENERACJI (TYLKO CIEPŁO) biogaz Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart

26 Trójgeneracja poprzez zastosowanie mikrosiłowni ORC + klimatyzacja (sezon letni) biomasa ciepło 25% Energia elektryczna 15% Ciepło do produkcji wody lodowej (klimatyzacja) 60% 52% 40% 8% Łącznie 130 % więcej w odniesieniu do produkcji ciepła TRÓJGENERACJA TYLKO CIEPŁO biogaz Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart

27 Poprawa efektywności mCHP poprzez zastosowanie turbiny gazowej w układzie kombinowanym z miniturbiną ORC lub silnikiem spalinowym Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart

28 Kogeneracja kombinowanapoprzez zastosowanie mikrosiłowni ORC + turbina gazowa biomasa ciepło 62% energia elektryczna 38% (Tu można przyjąć większy udział niż w ORC) 75% 25% Łącznie 140 % więcej w odniesieniu do produkcji ciepła Sprawność ekonomiczna KOGENERACJA KOMBINOWANA TYLKO CIEPŁO biogaz Oprac. D. Butrymowicz, J. Kiciński, P. Lampart

29 Biogazownia fermentacyjna Opcjonalnie: Biorafineria lignocelulozowa (zgazowarka + rafineria) MINISIŁOWNIA BIOMASOWA mCHP ORC Moc elektryczna : od kilkudziesięciu kW do 1 MW Kocioł wielopaliwowy 50°C olej czysty wodór biometan drewno, pelety węgiel Czynnik niskowrzący Odbiorniki energii elektrycznej Odbiorniki energii cieplnej biometanol olej woda gaz syntezowy Mikroturbina ORC woda lodowa Generator 90°C biometanol bioetanol

30 Wielokrotny układ N x ORC z generatorem Kocioł wielopaliwowy Propozycja rozwiązania modułowego układu ORC minisiłowni biomasowej 50°C Odbiorniki energii elektrycznej Odbiorniki energii cieplnej olej Specjalne procesy technologiczne (klimatyzacja) 90°C Obiegi z naturalnym czynnikiem niskowrzącym

31 Produkt pofermentacyjny Pozostałości z produkcji biopaliw i przemysłu spożywczego Rośliny energetyczne zielne: ślazowiec, kukurydza i wodne Kiszonki Rozdrabniacz i mikser Uszlachetnianie biogazu Zbiorniki fermentacyjne Biogaz (Biometan) BIOMETAN - UNIWERSALNE ŹRÓDŁO ENERGII BIOGAZOWNIA FERMENTACYJNA 0.5 MW NOWOŚĆ: BIOMETAN Z ROŚLIN ZIELNYCH I WODNYCH !!! ( Nie ma takiej instalacji w kraju )

32 Dlaczego biogaz (biometan) z fermentacji ? Biogaz otrzymywany w procesie beztlenowej fermentacji metanowej rokuje na przyszłość jako substytut gazu naturalnego i uniwersalne źródło taniej energii wykorzystywanej lokalnie; Produkcja biometanu jest czysta dla środowiska, Biometan charakteryzuje się wyższym wskaźnikiem EROEI niż oleje roślinne. Nowe technologie produkcji roślin energetycznych oraz modele taśm produkcji i konserwacji roślin dla ciągłej podaży biomasy energetycznej wraz z niezbędnym zabezpieczeniem logistycznym; Nowatorskie zasady prowadzenia procesu fermentacyjnego ze względu na kompozycję mikrobiologiczną flory fermentacyjnej w zależności od parametrów wsadu biomasy do fermentacji; Optymalizacja procesów biochemicznych bioreaktora w zależności od rodzaju biomasy roślinnej, Wykorzystaniem biogazu w ogniwie paliwowym, Innowacyjność biogazowni

33 Stacja pilotująca reaktora beztlenowego w Zakładzie Mleczarskim w Łaszczowie Biogazownie – kierunki rozwoju na przykładzie własnych rozwiązań Krzemieniewski M., Dębowski M., Zieliński M., Jędzrzejewska – Cicińska M.

34 ZINTEGROWANA BIORAFINERIA (0.5 MW 1000 l. etanolu dziennie) Surowiec roślinny uprawy energetyczne pozostałości roślinne otoczenie Procesy chemiczne hydroliza enzymatyczna fermentacja cukrów Procesy termochemiczne piroliza (olej pirolityczny) gazyfikacja (gaz synteowy) Produkty paliwa/produkty chemiczne ciepło/energia elektryczna NOWOŚĆ: WYTWARZANIE BIOETANOLU Z LIGNOCELULOZY!!! BIOPALIWA II GENERACJI Bioetanol (spirytus) Gaz syntezowy (drzewny)

35 Biokonwersja lignocelulozy do cukrów prostych i fermentacja do etanolu, Wyhodowanie nowych odmian roślin energetycznych o wysokiej wydajności biomasy, Utylizacja pozostałości poprodukcyjnych i ścieków w uprawach energetycznych, Współspalanie biomasy lignocelulozowej, Budowa funkcjonalnych modeli demonstracyjno-eksperymentalnych technologii konwersji roślin lignocelulozowych z upraw energetycznych, Innowacyjność biorafinerii BIOETANOL (SPIRYTUS) C 2 H 5 OH

36 MIKROSIŁOWNIE mCHP-ORC W ZAKRESIE MOCY OD KILKUNASTU DO KILKUDZIESIĘCIU KW Cechy tego segmentu rynku - Olbrzymi, potencjalny rynek, masowy indywidualny odbiorca - Opłacalność ekonomiczna: prąd elektryczny jako byproduct ok.. 10-15% mocy – to czysty zysk. Kocioł i tak musimy mieć, - - Łatwa możliwość trójgeneracji, czyli produkcji również chłodu, a więc wykorzystanie cały rok mCHP-ORC

37 1.Zapotrzebowanie rynku w UK ocenia sie na kilka millionow 2.Energia pierwotna wykorzystywana jest w ok. 90% 3.Jednostki do 50 kWel Mikro-siłownia zastępuje kocioł w układzie centralnego ogrzewania Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna

38 Rozwiązania stosowane

39 Domowa Mikrosiłownia Kogeneracyjna Rozwiązania stosowane

40 Turbina jednostopniowa typu radialnego N = 3 kW n = 98000 rev/min Mikroturbina Kogeneracyjna ORC Nowy projekt IMP PAN Widok izometryczny Model MES

41 Widok izometryczny Łożyska Foliowe specjalnego typu smarowane czynnikiem roboczym Model MES Mikroturbina Kogeneracyjna ORC Nowy projekt IMP PAN

42 PROJEKT IMP PAN Mikroturbina jednostopniowa typu radialnego Ne = 3 kW n = 98000 rev/min

43 PROJEKT IMP PAN Kocioł 25 KWc - Biomasa /pelety

44 TECHNOLOGIE STUDYJNE Koncepcja systemu magazynowania energii Odbiorniki energii elektrycznej WIATR Prąd przemienny Prąd przemienny Ogniwa paliwowe Moc elektr. 8 KW Moc cieplna 3 KW elektrownia wiatrowa ultra-niskospadowa elektrownia wodna Prąd przemienny Magazyn energii: sprężone powietrze O2O2 tlen wodór Prąd stały 8KW Produkcja H 2 Klimatyzacja solarna Układy PV (fotowoltaika) Sterowanie

45 Najlepsze warunki dla rozwoju energetyki wiatrowej Wielu potencjalnych użytkowników turbin wiatrowych Przewidywana niska cena przy masowej produkcji Mikrosiłownia Wiatrowa Tani wiatrak dla gospodarstw indywidualnych Wiatraki o osi pionowej Wiatraki o osi poziomej Dlaczego turbiny wiatrowe ? Nowe rozwiązania wirników poziomych i pionowych Zaprojektowanie tanich, lekkich i łatwo rozbieralnych wież Opracowanie systemów produkcji i wykorzystania energii elektrycznej Wykorzystanie nowoczesnych, lekkich materiałów na wirniki i wieże Spodziewane główne zainteresowanie w mocach 3 kW - sprzedaż w supermarketach Nasza propozycja musi iść także w większe jednostki 10 – 15 kW dostępne na zamówienie Należy rozważyć również wielkość przyciągającą uwagę - ~ 500W zachęcającą do pierwszego zakupu Jakie turbiny wiatrowe ? Innowacyjność

46 Sprężone powietrze (magazyn energii) Turbina 1: wiatr do 4 m/s – ładowanie zbiornika powietrza wiatr od 4 m/s – napęd generatora prądu Turbina 2: napęd generatora przy wykorzystaniu sprężonego powietrza Sprzęgło Generator Siłownie wiatrowe małej mocy – Koncepcja magazynu energii Odbiorniki energii elektrycznej WIATR

47 laczego powinniśmy zabiegać o rozwój małej energetyki wodnej w makroregionie północnej Polski? Dlaczego powinniśmy zabiegać o rozwój małej energetyki wodnej w makroregionie północnej Polski? - W naszym makroregionie przeważają rzeki nizinne, o relatywnie niewielkich spadach, poniżej 4 m słupa wody oraz dużym i stałym na przestrzeni roku natężeniu przepływu. - Stopień energetycznego wykorzystania piętrzeń niskospadowych tych rzek jest znikomy. Udział energetyczny obiektów piętrzących w Polsce – około 50% stanowią obiekty niskospadowe, wykorzystane w niewielkim stopniu Mikrosiłownie Wodne: Typoszereg turbin niskospadowych dla proekologicznych małych elektrowni wodnych KORZYŚCI 1.Zwiększenie produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych 2.Poprawa bezpieczeństwa energetycznego w regionie 3.Zwiększenie ochrony środowiska, głównie poprzez poprawę stosunków wodnych - podniesienie poziomu wód gruntowych 4.Rozwój infrastruktury turystycznej i rekreacyjnej 5.Zmniejszenie bezrobocia w regionie

48 Idealne rozwiązanie - niskospadowe elektrownie wodne z turbinami specjalnej konstrukcji. parametry typoszeregu turbin niskospadowych : Spad : H = (1.5 – 4 ) m sł. wody Przepływ: Q = (0.3 – 12) m 3 /s Generowana moc: P e = (10 – 350) kW Przewidywana sprawność: = (75 – 85)% Wyróżnik szybkobieżności: n SQ = (250-280) nowy układ łopatkowy turbiny wodnej rurowej o wysokim wyróżniku szybkobieżności zaprojektowany z wykorzystaniem nowoczesnych metod obliczeniowych i badawczych, układ sterowania pracą turbiny z uwzględnieniem zmiany szybkości obrotowej jej wirnika, nowoczesna metoda projektowania turbin wysokobieżnych zweryfikowaną na podstawie badań doświadczalnych modelu, metoda optymalizacji wykorzystania zasobów wodnych z uwzględnieniem aspektów środowiskowych i nową metodę określania jednostkowej energii hydraulicznej turbiny wodnej na niskie spady. Innowacyjność

49 Gminne Centra Energetyczne w Makroregionie Polski Północnej - jakie szanse? Zaplecze Badawcze – Finansowanie Projektów Badawczo-Rozwojowych: Projekt kluczowy z listy indykatywnej Kompleksy agroenergetyczne… POIG Projekt klastrowy BKEE Ekosiłownie Poligeneracyjne POIG Zaangażowanie firm i koncernów: Grupa Kapitałowa ENERGA SA (Nowe Podmioty:CBR, RNT) Nowa strategia w zakresie odnawialnej energetyki rozproszonej Zaangażowanie Gmin i Powiatów Gmina Kępice Kwidzyń Kisielice Gniewino Zaangażowanie Pomorskiego Urzędu Marszałkowskiego

50 Koordynacja klastrów poprzez POLSKIE PLATFORMY TECHNOLOGICZNE lub WSPÓLNE INICJATYWY TECHNOLOGICZNE Klastery Innowacyjne Klastery Innowacyjne Regiony Wiedzy i Innowacji Źródło: J. Buzek, referat na Bałtyckim Forum Ekoenergetycznym

51 PRZYKŁAD GMINA MODELOWA MODEL ENERGETYCZNY

52 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego w Gminie Proces symulacji wytwarzania energii w układach kogeneracyjnych Dokumentacje projektów technologicznych; Dokumentacje projektów instalacji; Dokumentacje eksploatacyjne; Zbiory norm i uregulowań prawnych Opracował : Januszewicz, SIMEX

53 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Warstwa projekcyjna Warstwa prezentacji Warstwa kalkulacji Warstwa aplikacji Model komleksu agroenergetycznego

54 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Warstwa prezentacji Model kompleksu agroenergetycznego

55 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Technologia fermentacji etylowej wg. CPECh Wrocław

56 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Technologia biogazu wg. CPECh Wrocław

57 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Technologia estryfikacji etanowej wg. CPECh Wrocław

58 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Kogeneracja przy wykorzystaniu technologii ORC

59 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Instalacja biodiesela Ester (biodiesel) Elektrociepłowni a Silniki gazowe Biogazownia Gorzelnia Odwadniacz osad (ziemia ogrodowa) odciek (ścieki) mazut (opcjonalnie) Ekstruder gnojowica woda drożdże zboże olej rzepakowy KOH (katalizator) pasza białkowa przepływ masy przepływ energii Tłoczniamakuchy rzepak biogaz wywar gliceryn a energia elektryczna i cieplna (kogeneracyjna) fuzle etanol (99.8%) lub metanol (99,7%) (opcjonalnie) słoma Bloki funkcjonalne

60 Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku 60 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Przykład praktycznego zastosowania : Produkcja biopaliw z upraw na powierzchni 1000 ha: 250 ha rzepak 250 ha trawy 250 ha pszenżyto 250 ha wierzba energetyczna

61 Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku 61 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Przykład praktycznego zastosowania : Produkcja bigazu z upraw na powierzchni 1000 ha: 250 ha lucerna 250 ha trawy 250 ha kukurydza 250 ha wierzba energetyczna Dla porównania: Koszt 1kW energii zawartej w gazie ziemnym 0,06 zł Koszt 1kW energii zawartej w węglu kamiennym 0,03 zł wynosi 6,5 mln. m3 przy bardzo niskim koszcie produkcji wynoszącym 0,02zł w przeliczeniu na 1 kW

62 Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku 62 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Potencjał bioenergetyczny Województwa Pomorskiego: Łączna powierzchnia upraw 800 tys. ha, w tym : 454.000 ha zboża 340.000 ha rzepak 40.000 ha ziemniaki 15.000 ha buraki Przeznaczając 25% upraw na cele energetyczne, oraz odpady z hodowli zwierząt: 221.000 bydła 970,000 trzody 10.000.000 drobiu można otrzymać biogaz o wartości energetycznej 8.880 GW,

63 Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku 63 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Potencjał bioenergetyczny Województwa Pomorskiego: Z upraw leśnych jest możliwe pozyskanie w celach energetycznych: 225.000 ton drewna energetycznego; 180.000 ton drewna odpadowego Łączna wartość energetyczna drewna wynosi w przybliżeniu 1.250 GW,

64 Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku 64 Szkieletowy Model Kompleksu Agroenergetycznego Potencjał bioenergetyczny Województwa Pomorskiego wynosi więc: 8.880 GW z 25% produkcji rolnej 1.449 GW z odpadów hodowlanych 1.250 GW z gospodarki leśnej Łączny potencjał bioenergetyczny Województwa Pomorskiego wynosi w przybliżeniu 11.579 GW, odpowiada to XX% zapotrzebowania energetycznego województwa.

65 MODEL ENERGETYCZNY GMINY wg R. Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008 www.egie.pl Gmina modelowa: 12.500 mieszkańców, 39 km 2 powierzchni (71% użytki rolne, 10 % użytki leśne) Stan na dzisiaj: Energia elektryczna: zapotrzebowanie pokrywane w całości przez energetykę zawodową Struktura zużycia: ciepło Struktura zużycia: paliwa transportowe Założenie: 1.500 ha - areał na strefę energetyczną – uprawy kukurydzy 2.Centrum energetyczno-paliwowe powstanie wokół istniejącej gorzelni, do której dołączona zostanie biogazownia z układem kogeneracyjnym o mocy 750 kWe i biorafineria (układ odwadniania spirytusu) o wydajności 5 mln litrów rocznie oraz przetwórnia biopaliwa stałego o wyd. 6320 m3 biomasy

66 MODEL ENERGETYCZNY GMINY c.d. Schemat ideowy działania Centrum Źródło: Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008

67 MODEL ENERGETYCZNY GMINY c.d. Uproszczona analiza ekonomiczna Według przeprowadzonej analizy Centrum pokryje: 42% zapotrzebowania na energię elektryczną 39% zapotrzebowania na energię cieplną 25% zapotrzebowania na paliwa transportowe W obu wariantach Centrum okazało się inwestycją opłacalną. Stopa zwrotu IRR w wariancie II jest oczywiście wyzsza. Źródło: Mocha, M. Pniewska, W. Kadłubiec, artykuł na KPE PAN, Serock, czerwiec 2008

68 TAKĄ ZIEMIĘ ZACHOWAJMY DLA PRZYSZŁYCH POKOLEŃ DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ