Innowacyjne technologie dla poprawy efektywności energetycznej Racjonalizacja użytkowania energii w przedsiębiorstwie przemysłowym Wojciech Stanek wojciech.stanek@polsl.pl Zabrze, 4 lipca 2013

Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja POLSKA ( 1,13 kg / € ) energochłonne gałęzie przemysłowe ( struktura PKB ) niska sprawność energetyczna ( technologia ) niekorzystna struktura paliw średnia UE - 27 Emisja CO2, kg/€

Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja 7 lat 85 lat Dostępność nośników energii pierwotnej © Wojciech Stanek; opracowano na podstawie www.bp.com Nośnik energii Jednostka 2007 2010 2015 2020 2025 2030 Ropa naftowa USD/boe 68,5 89,0 94,4 124,6 121,8 141,4 Gaz ziemny USD/ tyś. m3 291,7 406,9 376,9 435,1 462,5 488,3 Węgiel USD/t 101,3 140,5 121,0 133,5 136,9 140,3 Ministerstwo Gospodarki: Polityka energetyczna Polski do 2030 roku

Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja Aspekty ekologiczne Externalities Wielkość Substancja SO2 NOX pył CO2 ck , zł/kg 0,43 0,29 0,00023 wk , zł/kg 45,05 33,09 24,62 -

Racjonalizacja użytkowania energii - motywacja Pakiet 3x20: - redukcja emisji gazów cieplarnianych o 20% - wzrost efektywności energetycznej o 20% udział odnawialnych źródeł energii (OZE) w ogólnej produkcji energii Otoczenie zewnętrzne Wsparcie prawne / finansowe - certyfikaty dla gospodarki skojarzonej ( kogeneracji ) - certyfikaty dla OZE - białe certyfikaty za efektywność energetyczną

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Podstawowe narzędzia powszechnie stosowane w analizach techniczno-ekonomicznych: bilanse substancji bilans energii wskaźniki efektywności energetycznej wskaźniki efektywności ekonomicznej (SPB, DPB, NPV, IRR …) Dodatkowe narzędzia termodynamiki: - bilans egzergii - koszt egzergetyczny

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Słowo energia jest używane w dwu znaczeniach.: W języku fizyki wielkość podlegającą prawu zachowania. Może ona przepływać między różnymi postaciami materii i zmieniać swoją jakość, nie można jednak jej ani stworzyć ani zniszczyć. W języku potocznym słowa energia używa się tylko dla takich postaci energii, które charakteryzują się podwyższoną jakością i nadają się do podtrzymywania biegu procesów wytwarzających użyteczne efekty. Są to więc takie postaci energii, które mają określoną wartość ekonomiczną ( egzergia ). Jan Szargut: Energia czy Egzergia. Rynek Energii, 10.2010

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Bilanse substancji ZASADA ZACHOWANIA SUBSTANCJI – stała jest: -   liczba cząstek w procesach fizycznych, -   liczba pierwiastków w procesach chemicznych, Steady state: Bilans substancji – podstawa sporządzenia bilansu energii

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Bilanse energii Energia strumienia substancji: System może wymieniać energię ze swoim otoczeniem za pomocą: - pracy mechanicznej ( W ) - energii elektrycznej ( Eel ) - ciepła ( Q ) - energii przepływającej strugi ( H ) Energia wewnętrzna układu: Równanie Gibbsa:

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Sprawność energetyczna metoda bezpośrednia (np. kocioł) metoda pośrednia (np. kocioł)

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Sprawność energetyczna (przykładowe wartości) Urządzenie „Sprawność” Kocioł parowy 0,90 Elektrownia parowa 0,40 Elektrociepłownia 0,80 Pompa ciepła sprężarkowa 4,00 Ziębiarka absorpcyjna 0,70 Ziębiarka sprężarkowa 1,50

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy Bilans energii (prezentacja graficzna) 100 GJ 57 GJ 22 GJ Jan Szargut: Termodynamika. PWN Warszawa 1998

Racjonalizacja użytkowania energii - podstawy II Zasada Termodynamiki Niemożliwe jest zbudowanie silnika, który w całości zamianiałby ciepło napędowe w pracę ( h < 100 % ) Przebieg nieodwracalnych procesów rzeczywistych jest zawsze związany ze wzrostem entropii. Suma przyrostów wszystkich ciał uczestniczących w zjawisku jest miarą nieodwracalnej utraty zdolności do wykonania pracy Prawo Gouya - Stodoli

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Procesy rzeczywiste – nieodwracalne Skracanie łańcucha przemian termodynamicznych = = eliminacja nieodwracalności Jan Szargut: Termodynamika. PWN Warszawa 1998

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja DEch = (100+120)-175 = 45 (20%)

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja DEch = (250+120)-250 = 120 (32%)

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja TYP EC Zakres mocy kW Sprawność elektr., % całk., % Wskaźnik skojarzenia Turbina Parowa > 250 7 – 20 75 – 84 0,1 – 0,33 gazowa (KO) > 350 15 – 40 65 – 85 0,4 – 0,8 gazowa (GP) > 7000 35 – 55 73 – 85 < 1,45 Silnik tłokowy 5 – 6500 25 – 40 70 – 90 0,5 – 1,0 Mikroturbina 25 – 450 25 - 30 75 - 85 0,5 – 0,65

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektrycznosci. PAN Katowice 2007

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji - przykłady V∙g V∙g tg2 spaliny G 1 G 2 Eel tg2 Q E el Eel tg1 V∙g tg1 K2 K1

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady Elektrociepłownia z turbiną gazową

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady Elektrociepłownia z silnikiem tłokowym (gaz ziemny)

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji – przykłady bez certyfikatów certyfikaty Elektrociepłownia z silnikiem tłokowym (metan kopalniany)

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja) h

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Analiza wysokosprawnej kogeneracji (trójgeneracja)

Racjonalizacja użytkowania energii - kogeneracja Perspektywiczne technologie CHP w źródłach rozproszonych Technologia Stan Koszt, zł/MWh t=6400 t=4400 CHP turbina gazowa (g.z.) (0,5 – 7,0 MW ) K 256 298 CHP silnik gazowy (g.z.) ( 0,2 – 3,0 MW ) 341 402 CHP ORC (biomasa) ( 0,5 – 2,0 MW ) D 384 548 CHP parowy (biomasa) ( 1,0 – 3,0 MW ) 392 554 CHP silnik gazowy (biometan z odpadów) ( 0,1 – 2,0 MW ) 284 446 CHP silnik gazowy (gaz z biomasy) ( 0,1 – 2,0 MW ) 434 596 CHP turbina gazowa (zgazowanie biomasy) ( 0,5 – 5,0 MW) P 469 663 CHP silnik (zgazowanie biomasy) ( 0,1 – 2,0 MW ) 502 702 CHP ogniwo paliwowe (zgazowanie biomasy) 579 799 wg. Paska J. : Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w źródłach rozproszonych

Zasady wykorzystania energii odpadowej Energia odpadowa Zasady wykorzystania energii odpadowej Nie ma technologii bezodpadowych Często koszty wykorzystania energii odpadowej są mniejsze niż koszty pozyskania paliwa na pokrycie tych potrzeb Zmniejszenie ilości spalanego paliwa ma dodatkowo korzystny wpływ na otoczenie

Zasady wykorzystania energii odpadowej Energia odpadowa Zasady wykorzystania energii odpadowej ENERGIA ODPADOWA – fizyczna entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonej temperatury egzergia fizyczna gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonego ciśnienia ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń

Zasady wykorzystania energii odpadowej Energia odpadowa Zasady wykorzystania energii odpadowej ENERGIA ODPADOWA – chemiczna wynika z różnicy składu chemicznego substancji odpadowej w stosunku do powszechnie występujących składników otoczenia energia chemiczna palnych gazów odlotowych egzergia chemiczna niepalnych gazów odlotowych (np. egzergia chemiczna azotu i gazów szlachetnych w procesie otrzymywania tlenu), energia chemiczna palnych odpadów stałych (komunalnych i przemysłowych), egzergia chemiczna niepalnych odpadów przemysłowych i komunalnych

ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonej temperatury Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady) entalpia fizyczna spalin i gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonej temperatury Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady) egzergia fizyczna gazów odlotowych wynikająca z ich podwyższonego ciśnienia, Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

– fizyczna (przykłady) Energia odpadowa ENERGIA ODPADOWA – fizyczna (przykłady) ciepło chłodzenia elementów konstrukcyjnych urządzeń,

ENERGIA ODPADOWA – chemiczna (przykłady) 1) energia chemiczna palnych gazów odlotowych Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2001

Roczna ilość zaoszczędzonej en. napędowej Energia odpadowa (ocena zasobów) Roczna ilość zaoszczędzonej en. napędowej mnożnik oszczędności energii energia odpadowa bezpośrednia oszczędność i-tej postaci energii napędowej sprawność skumulowana wytwarzania i dostawy i-tej postaci zaoszczędzonej energii

Energia odpadowa (ocena zasobów) Rekuperacja

Nośnik ciepła dla zewnętrznych odbiorców Energia odpadowa (ocena zasobów) Nośnik ciepła dla zewnętrznych odbiorców skumulowana sprawność produkcji i dostawy paliwa sprawność energetyczna produkcji ciepła moc potrzeb własnych urz. pomocniczych instalacji odzyskowej moc potrzeb własnych urz. pomocniczych instalacji zastąpionej

Paliwa odpadowe Energia odpadowa (ocena zasobów) sprawność energetyczna zasilania paliwem odpadowym sprawność energetyczna zasilania paliwem nieodpadowym energia chemiczna odpadowa

Podwyższone ciśnienie gazów odlotowych Energia odpadowa (ocena zasobów) Podwyższone ciśnienie gazów odlotowych sprawność egzergetyczna turbiny rozprężnej liczona w stosunku do turbiny izotermicznej strumień gazów stopień wykorzystania energii odpadowej

Uzasadnieni ekonomiczne Energia odpadowa (ocena zasobów) Uzasadnieni ekonomiczne

Białe certyfikaty – Ustawa o efektywności energetycznej Art. 20. Przetarg wygrywają te podmioty, które zadeklarowały wartość efektu energetycznego (ω), zawierający się w przedziale: (t x ωśr ; ωmax), gdzie: t – współczynnik akceptacji ofert określany przez ministra właściwego do spraw gospodarki, ωmax – najwyższą zadeklarowaną w danym przetargu wartość efektu energetycznego, ωśr – średnią wartość efektu energetycznego w danym przetargu

I ZT Analiza egzergetyczna i termoekonomia 500 °C 1000 °C 40 °C 30 °C Energia 80 GJ I ZT 500 °C 22 GJ 1000 °C 100 GJ 40 °C 57 GJ 30 °C

Stopień wartości ciepła Analiza egzergetyczna i termoekonomia Stopień wartości ciepła

I / II ZT Analiza egzergetyczna i termoekonomia 500 °C 1000 °C 40 °C Energia Egzergia 80 GJ 32 GJ I / II ZT 22 GJ 20 GJ 500 °C 1000 °C 100 GJ 40 °C 57 GJ 4 GJ 30 °C

Pierwsza i druga zasada termodynamiki Analiza egzergetyczna i termoekonomia Pierwsza i druga zasada termodynamiki I Law of Thermodynamics HEAT AND WORK ARE THE SAME II Law of Thermodynamics HEAT AND WORK ARE DIFFERENT All Joules are equal but some are more equal than others D. Rose (1986); Learning about Energy

Bilans egzergii Analiza egzergetyczna i termoekonomia Sprawność egzergetyczna Jednostkowe zużycie egzergii

Analiza egzergetyczna i termoekonomia Koszt egzergetyczny

Diagnostyka Analiza egzergetyczna i termoekonomia i Δ(MF) Δ(DF) 1 336,33 931,48 2 439,65 31,35 3 8,89 3,40 4 109,24 0,66

Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej Dopuszczaj do występowania strat egzergii tylko wówczas, gdy są one niezbędne do ograniczenia nakładów inwestycyjnych Nie stosuj nadmiernych lub zbyt małych bodźców termodynamicznych umożliwiających realizacje procesów Unikaj mieszania substancji różniących się temperaturą, ciśnieniem lub składem chemicznym Sama D., Szargut J.

Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 4. Unikaj chłodzenia gorącej substancji powietrzem atmosferycznym lub wodą chłodzącą oraz podgrzewania powietrzem atmosferycznym lub wodą chłodzącą czynnika mającego temperaturę niższą od temperatury otoczenia 5. Procesy przeciwprądowe są zawsze bardziej termodynamicznie sprawne niż współprądowe 6. Staraj się by w sieciach wymienników ciepła w każdym wymienniku temperatura końcowa jednego ze strumieni była bliska temperaturze początkowej drugiego Sama D., Szargut J.

Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 7. Pojemności cieplne strumieni wymieniających ciepło powinny być zbliżone. Jeżeli występują duże różnice, spróbuj rozdzielić strumień o większej pojemności cieplnej i skierować go do dwóch lub więcej wymienników ciepła 8. Unikaj pośredniego nośnika ciepła pomiędzy rozpatrywanymi strumieniami 9. Straty egzergii spowodowane przez tarcie hydrauliczne lub przez nieodwracalny przepływ ciepła są tym większe im niższa jest temperatura w procesie. Minimalizuj te straty szczególnie w temperaturze niższej od temperatury otoczenia Sama D., Szargut J.

Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 10. Unikaj dławienia gazów i par 11. Lokalizuj sprężarki i wentylatory w miejscach o najniższej temperaturze Eliminuj nieszczelność rurociągów, zaworów i komór spalania Pamiętaj, że w systemach napędzanych energią chemiczną, jądrowa lub mechaniczną straty ciepła odprowadzanego do otoczenia w skraplaczach turbin, ziębiarek itp. Są wynikiem przemian nieodwracalnych przebiegających w układzie Sama D., Szargut J.

Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 14. Unikaj sprężania pary uprzednio rozprężonej 15. Zmniejszając jakoś stratę egzergii staraj się nie zwiększać innej straty występującej równolegle 16. Unikaj wydłużania łańcucha przemian termodynamicznych 17. Staraj się realizować procesy skojarzone wytwarzające więcej niż jeden efekt użyteczny Sama D., Szargut J.

Praktyczne reguły zmniejszania niedoskonałości termodynamicznej 18. Rozważaj zawsze wpływ proponowanych zmian energetycznych na straty egzergii w innych ogniwach procesu 19. Pamiętaj, że koszt jednostki egzergii zwiększa się w miarę postępu przemian termodynamicznych 20. Staraj się redukować straty egzergii w miejscach gdzie są one największe lub w miejscach, gdzie koszty jednostki egzergii jest większy Sama D., Szargut J.

Dziękuję za uwagę Wojciech Stanek Instytut Techniki Cieplnej ul. Konarskiego 22 tel. 32 237 11 24 wojciech.stanek@polsl.pl www.itc.polsl.pl