Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Andrzej ZIĘBIK Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej

SYSTEM ENERGETYCZNY I JEGO PODSYSTEMY

Krajowy system energetyczny i jego podsystemy.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

KRAJOWY SYSTEM ENERGETYCZNY I JEGO PODSYSTEMY 1. Definicja KSE i jego cechy. 2. Podsystem paliw stałych. 3. Podsystem paliw ciekłych. 4. Podsystem gazoenergetyczny. 5. Podsystem elektroenergetyczny. 6. Podsystem cieplnoenergetyczny. 7. Podsystem odnawialnych źródeł energii. 8. Podsystem energetyki rozproszonej. 9. Podsystem energetyki jądrowej (w organizacji). 10. Podsystem energetyki przemysłowej.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

1. DEFINICJA KSE I JEGO CECHY

KRAJOWY SYSTEM ENERGETYCZNY „Zbiór urządzeń i przedsięwzięć organizacyjnych mających na celu pozyskiwanie, przesyłanie, przetwarzanie, rozdzielanie i użytkowanie różnych rodzajów energii i form jej przekazywania” KSE Duży system energetyczny typu „człowiek – maszyny – środowisko”

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Specyficzne cechy KSE •powiązania sieciowe i rurociągowe – zwarta materialnie całość, •uniwersalność produktów finalnych ⇒ wiele zewnętrznych powiązań, •organiczne włączenie użytkowników do systemu, •szczególna rola sterowania dyspozytorskiego, •odstępstwo od klasycznego modelu transporto-wego (odbiorca przydzielony dostawcy), •szczególnie duża wymiarowość i duży stopień skomplikowania. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

2. PODSYSTEM PALIW STAŁYCH Stare pokłady węgla powstały około 300 mln lat temu w erze paleozoicznej (trzecia era w dziejach Ziemi trwająca od ok. 520 mln lat temu do ok. 185 mln lat temu). Okres tej ery, w której powstały stare pokłady węgla jest nazywany karbonem. Młodsze pokłady węgla powstały w okresie jury, około 150 mln lat temu. Światowe rezerwy węgla kamiennego – 751 mld ton (2003) Światowe zasoby węgla kamiennego – 7400 mld ton (2003) Największe rezerwy węgla kamiennego: USA, Rosja, Chiny, Indie, Afryka Południowa, Australia, Ukraina, Kazachstan, Niemcy i Polska. Polskie rezerwy - ~ 2% rezerw światowych ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Światowe rezerwy węgla brunatnego – 158 mld ton (2003) Największe rezerwy – Niemcy, Australia, USA, Chiny, Brazylia, Rosja. Polskie rezerwy – ok. 1% rezerw światowych Torf z uwagi na niską kaloryczność, dużą zawartość wilgoci i popiołu oraz niekorzystne oddziaływanie na środowiska ma małe zastosowanie w energetyce. Główne zastosowanie w rolnictwie i ogrodnictwie. Największe zasoby: Rosja, Białoruś, kraje skandynawskie polskie zasoby torfu są niewielkie. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PODSYSTEM PALIW STAŁYCH (Rys historyczny) Węgiel kamienny XIV / XV w. – początki wydobycia węgla w GZW i DZW (metoda odkrywkowa) Połowa XIX w. – 15 małych kopalni odkrywkowych w DZW. Rok 1740 – wzmianka o kopalni Murcki w GZW – najstarsza w GZW – zatrudnienie 8 ludzi. Rok 1791 – pierwsza kopalnia głębinowa. Wiek XIX – rozwój górnictwa związany z rozwojem przemysłu.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Wydobycie przed I Wojną Światową – 52 mln ton / rok Rok 1950

– 78 mln ton/rok

Rok 1979

– 201 mln ton/rok

Rok 1984

– uruchomienie LZW

Koniec lat 90-tych

– zamknięcie DZW

Węgiel brunatny Początki wydobycia XVIII w. – Dolny Śląsk XIX w. – 130 000 ton / rok 1935 r. – 3 mln ton 1963 r. – kopalnia Turów 1964 r. – kopalnie Pątnów i Adamów 1980 r. – kopalnia Bełchatów. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Węgiel kamienny Zasoby bilansowe ~44 000 mln ton Zasoby operatywne ~3 800 mln ton GZW – 80% LZW – 20% Wydobycie – ok. 90 mln ton/rok (ostatnie lata) GZW ~95% LZW ~ 5% Wd=24 MJ/kg S=0,35-0,45 (1) g/MJ Węgiel brunatny Zasoby bilansowe ~13 700 mln ton Zagłębie Bełchatowskie – 6 500 MW Zagłębie Turoszowskie – 2 700 MW Zagłębie Konińsko-Pątnowskie – 1 700 MW Wydobycie ~60 mln ton/rok Wd=8 MJ/kg S=0,6-1,5 g/MJ ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Węgiel podstawowym paliwem w energetycznych technologiach wytwarzania elektryczności, ciepła i chłodu • węgiel stanowi obecnie 25,5 % w strukturze światowego zapotrzebowania na energię pierwotną, • w oparciu o węgiel wytwarza się obecnie ~39 % światowej produkcji elektryczności, • wiele krajów, włączając w to kraje Unii Europejskiej (również te przyjęte 1 maja 2004) jest silnie uzależnionych od wytwarzania elektryczności w oparciu o węgiel, • rezerwy węgla na świecie są znacznie większe niż zasoby ropy i gazu; udokumentowane zasoby węgla wystarczą na 230 lat, • przewiduje się, że do roku 2030 w oparciu o węgiel będzie się produkowało 45 % elektryczności w skali świata, • równomierne rozmieszczenie na kuli ziemskiej i konkurencyjność cen. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Uwarunkowania ekologiczne UE: • wszystkie nowe elektrownie muszą, począwszy od roku 2008, przestrzegać norm emisji zgodnie z LCPD (Large Combustion Plant Directive), • emisja CO2 może być ograniczona przez podwyższenie sprawności elektrowni i współspalanie biomasy, • globalne zużycie węgla do roku 2030 będzie rosło i dlatego trzeba rozwijać czyste technologie węglowe i minimalizować ich wpływ na środowisko, • jeżeli obecnie działające w UE elektrownie opalane węglem zostałyby zastąpione wyposażeniem jakie jest aktualnie dostępne, to mogłoby to znacznie przybliżyć cele UE obniżenia emisji CO2.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Bariery ekologiczne w rozwoju krajowego podsystemu węgla kamiennego •nie rozwiązany problem odsalania wód kopalnianych, •stosunkowo znaczna zawartość siarki i popiołu, •ograniczenie możliwości spalania węgla w Górnośląskim Okręgu Przemysłowym, •problem składowania odpadów elektrownianych (około 1/3 zużywanego paliwa)

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

3. PODSYSTEM PALIW CIEKŁYCH (rys historyczny) XVI / XVII w. – pierwsze wzmianki o ropie naftowej na terenach polskich – tzw. „olej skalny” – pozyskiwana z naturalnych wycieków, potem ze studni –Drohobycz – pierwsze miejsce pozyskiwania ropy naftowej. XIX w. – Ignacy Łukasiewicz; pierwsza destylarnia ropy naftowej; skonstruował lampę naftowa; eksploatacja i przerób ropy naftowej. Rok 1854 – szpital we Lwowie oświetlany lampami naftowymi. Rok 1909 – wydobycie ropy naftowej – 2 mln ton / rok Rok 1938 – wydobycie tylko 0,5 mln ton / rok; 27 rafinerii. Lata 70-te – odkrycie niewielkich złóż na Niżu Polskim i w strefie przybrzeżnej Bałtyku Rafinerie: Płock – 13,3 mln ton, Gdańsk – 4,2 mln ton, Czechowice – 0,7 mln ton ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PALIWA CIEKŁE Ropa naftowa powstała prawdopodobnie pod wodą na dużych głębokościach z resztek roślinnych zmieszanych z osadami mineralnymi. Tzw. ropodajne okno termiczne tworzy przedział temperatury 60-150°C. Głębiej w wyższych temperaturach, następował proces termiczny prowadzący do powstawania gazu ziemnego. Gaz ziemny często gromadzi się nad pokładami ropy w formie poduszek gazowych, które powodują wytrysk ropy z odwiertów. Pierwszy szyb naftowy został uruchomiony w połowie XIX wieku w Pensylwanii, później w Baku, Kanadzie i Rumunii. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Podstawowe produkty przerobu ropy naftowej: benzyna i oleje napędowe. Benzyny naturalne (lekka i ciężka) są niskowrzącymi frakcjami destylacji ropy naftowej. Frakcje ropy naftowej wrzące w temperaturach 280-350°C stanowią olej napędowy (do silników Diesla). Pozostałości po destylacji ropy naftowej są źródłem olejów opałowych (np. mazutu). Łupki bitumiczne – łupki ilaste. Otrzymuje się z nich olej skalny przez destylację w temperaturze ok. 500°C (właściwości zbliżone do ropy naftowej). Piaski bitumiczne – zawierają węglowodory. Światowe zasoby paliw ciekłych w łupkach bitumicznych – 400-500 Gt ; w piaskach bitumicznych – 400-700 Gt.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Podsystem paliw ciekłych – import + szyby wiertnicze (0.9 mln ton), zespół rafinerii (przetwarzanie ropy na paliwa ciekłe – benzyny, oleje), rurociągi i cysterny, składowiska, elementy rozdziału. Zasoby ~22 mln ton Import ok. 24-25 mln ton Zalety paliw ciekłych: •możliwość automatyzacji na etapach wydobycia, transportu, •przetwarzania i użytkowania, •brak popiołów, •możliwość eliminacji związków siarki, •transport praktycznie nie wpływa szkodliwie na środowisko. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

4. PODSYSTEM GAZOENERGETYCZNY (Rys historyczny) Początki gazownictwa wiążą się z rozwojem koksownictwa. I poł. XIX w. – Górny Śląsk – pierwsza koksowania –przemysł i odb. kom. Połowa XIX w. – pierwsze gazownie – Warszawa, Kraków, Poznań. Koniec XIX w. – wraz z rozwojem wydobycia ropy naftowej rozpoczęto wykorzystywanie gazu ziemnego (kotły, przemysł, odb. kom.). Lata 1937-38 –koksowniczy 885mln mn3, miejski 163mln mn3, ziemny 584mln mn3 Lata 50-te – początek tworzenia ogólnokrajowego systemu gazoenergetycznego. Lata 70-te – odkrycie złóż gazu ziemnego zaazotowanego na Niżu Polskim. Lata 90-te – wycofanie gazu koksowniczego z mieszkań; zamknięcie ostatniej gazowni Rozwój systemu gazu płynnego LPG (mieszanina propanu i butanu) – odbiorcy indywidualni poza sieciami. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PALIWA GAZOWE Gaz ziemny powstał w temperaturach wyższych od tzw. ”okna ropodajnego” tzn. powyżej 150°C. Głównym składnikiem jest CH4. Może on tworzyć poduszki gazowe nad złożami ropy. Może również wypełniać puste przestrzenie poniżej. Gaz ziemny wysokometanowy (CH4>90%) i gaz ziemny zaazotowany (N2~50%). Zaletą gazu, jako surowca energetycznego jest możliwości transportu rurociągowego. Gazociąg z Algierii do Włoch - 2400 km. Rurociąg Jamalski – 5500 Około 15% wydobywanego na świecie gazu ziemnego (ok. 500 mld mn3) jest magazynowana w podziemnych zbiornikach, którymi są wyeksploatowane złoża gazu lub wyrobiska solne. Racjonalne gospodarowanie gazem oraz zachowanie bezpieczeństwa energetycznego kraju narzucają konieczność magazynowania 25-30% ilości gazu, która jest zużywana rocznie. Zdolność magazynowania polskiego systemu gazoenergetycznego jest zaniżona (ok. 10% rocznego zużycia). ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

ZASOBY KRAJOWE Zasoby gazu ziemnego wysokometanowego i zaazotowanego 120 mld m3n Zasoby gazu z pokładów węgla 250-300 mld m3n Wydobycie gazu z pokładów węgla ok. 270 mln m3n

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

ZAOPATRZENIE POLSKI W GAZ Rok 2008 Wydobycie krajowe 4,1 mld m3n g.z. wysokometanowy 2,6 g.z. zaazotowany 1,5 Import 10,26 mld m3n Rosja 7,06 Kraje Azji Śr. 2,38 Niemcy 0,82 Łączne zużycie Krajowe wydobycie Import Rosja Import inni

14,36 mld m3n 28,5 % 49,2 % 22,3 %

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

5. PODSYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY (Rys historyczny) Pierwsze próby wykorzystania energii elektrycznej w Polsce – koniec XIX w. Zakłady przemysłowe (głownie cukrownie) instalowały kilku-, kilkudziesięciokilowatowe generatory napędzane maszynami parowymi lub silnikami Diesla. Oświetlenie ulic – głównie lampy łukowe. Rok 1904 – Elektrownia Powiśle – 2 MW(1911 r. – 11,6 MW) Rok 1907 – Elektrownia Łódź – 2,1 MW Stan po I Wojnie Światowej 280 elektrowni – 210 MW – 500 GWh/rok Rok 1938 3198 elektrowni – 1668 MW – 3974 GWh/rok Największe elektrownie: Łaziska – 105 MW, Powiśle – 83 MW, Łódź – 101 MW Rok 1946 361 elektrowni – 2553 MW – 5,8 TWh/rok ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PODSYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY „Zbiór urządzeń służących do wytwarzania, przesyłania i rozdziału energii elektrycznej połączonych ze sobą funkcjonalnie dla realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej do odbiorców” Elementy systemu elektroenergetycznego elektrownie, sieci elektroenergetyczne. Elektrownia bloki energetyczne (kocioł, turbogenerator, transformator), urządzenia potrzeb własnych (pompy, skraplacze, młyny węglowe, elektrofiltry). ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrownie podstawowe, podszczytowe, szczytowe

SIECI ELEKTROENERGETYCZNE Sieci przesyłowe WN – 400; 220 kV Sieć rozdzielcza WN – 110 kV Sieci rozdzielcze ŚN – 15 ; 20 ; 30 kV Sieci NN – 0,4 ; 0,5 ; 6 ; 10 Kv ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

KRAJOWY SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY

Moc zainstalowana ~35 GW Produkcja ~150 TWh/rok Zapotrzebowanie na moc elektryczną lato – 14,7 GW szczyt zimowy – 23,2 GW 60% mocy zainstalowanej – bloki sprzed 30 lat Lata 1985 –1993 -

∆ηel ≅ 4 punkty %

Obecnie – Łagisza (nowa) – 3 punkty %

Pątnów (nowy) -5 punktów % Inne – 8-9 punktów %

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

EUROPA Lata 1970–1990: wzrost sprawności elektrowni z 36-37% do 40-41%; parametry 16÷18 MPa; 535÷565oC; optymalizacja obiegu cieplnego, poprawa procesu spalania w kotle Lata 1991-2002: wzrost sprawności elektrowni z 42% do 47% (chłodzenie morskie) przejście na parametry nadkrytyczne 28 MPa, 600-620oC Plany do 2015: Thermie 700 Advanced Power Plant 37,5 MPA 700/720/720oC ηE el = = 52-53% (chłodzenie morskie) Nowe bloki na parametry nadkrytyczne, po pomyślnych doświadczeniach w krajach zachodnich, stają się realną perspektywą w planach modernizacji i rozwoju polskiej elektroenergetyki.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Moc osiągalna w istniejących elektrowniach i zapotrzebowanie na moc w horyzoncie do roku 2030 ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

ENERGETYKA KONWENCJONALNA

Struktura produkcji elektryczności 93% - węgiel kamienny i brunatny 4% - paliwa węglowodorowe 3% - energia wodna Struktura produkcji ciepła 80% - węgiel (głównie kamienny) 20% - paliwa węglowodorowe, energia odpadowa, inne Specyfika surowcowej bazy energetycznej Polski, struktura cenowa paliw i względy historyczne sprawiają, że w produkcji elektryczności i ciepła podstawowym źródłem energii pierwotnej pozostaną paliwa organiczne, przede wszystkim węgiel kamienny i brunatny. Jednak ze względu na wymagane w przyszłości ograniczenie w emisji CO2 muszą być stosowane czyste technologie węglowe połączone z komercyjnymi technologiami sekwestracji dwutlenku węgla. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

WĘGIEL

Spalanie

Kotły pyłowe

Atmosferyczne kotły fluidalne

Zgazowanie

Ciśnieniowe kotły fluidalne

Zintegrowane układy gazowo-parowe

Układy hybrydowe

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Technologie do roku 2030: • nadkrytyczne i ultra-nadkrytyczne siłownie z kotłami pyłowymi (w tym projekt AD 700 – 37,5 MPa, 700/720 C), • siłownie z cyrkulacyjnymi, atmosferycznymi kotłami fluidalnymi (w tym projekt ALSTOM 600 MWe z parametrami nadkrytycznymi), • układy gazowo-parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

„ZERO” EMISYJNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Elektrownie opalane paliwami kopalnymi są odpowiedzialne za 1/3 globalnej emisji CO2. Zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie. Węgiel będzie dalej przeważającym paliwem w produkcji elektryczności. To samo dotyczy w krótszym horyzoncie czasowym gazu ziemnego. Jeżeli nie będzie instalacji usuwania i magazynowania CO2 jego udział w atmosferze będzie wzrastał, co grozi nasileniem efektu cieplarnianego. Czyste technologie energetyczne, przede wszystkim technologie pyłowe i układy ze zgazowaniem węgla powinny ulec przekształceniu w „zero” emisyjne technologie energetyczne. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Czyste technologie węglowe w połączeniu

ze skojarzonym

wytwarzaniem ciepła i elektryczności oraz dodatkowo chłodu w układach „trigeneration” są drogą do dalszej poprawy efektywności energetycznej

i

ekologicznej,

a

przez

to

bezpieczeństwa

energetycznego.

W

układach

zintegrowanych

zgazowania

węgla

może

być

realizowana poligeneracja tzn. wytwarzanie obok elektryczności, ciepła i chłodu również paliw ciekłych i gazowych. Efektywne wykorzystanie energii pierwotnej poprzez promowanie kogeneracji może pozytywnie przyczynić się do bezpieczeństwa dostaw energii. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

6. PODSYSTEM CIEPLNOENERGETYCZNY (scentralizowane zaopatrzenie w ciepło) Rys historyczny XIX / XX w. – w dużych miastach zaczęto wprowadzać ogrzewanie pomieszczeń przy zastosowaniu ogrzewania kaloryferowego zasilanego ciepłą wodą z lokalnych pieców i kotłów. Okres międzywojenny Budowa ciepłowni w ośrodkach przemysłowych Śląska, Łodzi i Warszawy oraz w COP (Stalowa Wola, Starachowice). Wydajności rzędu kilkuset MJ/h, rzadko kilku GJ/h. Dostawa pary grzejnej i gorącej wody. Lata 1948-52 Rozpoczęcie budowy ciepłowni osiedlowych – wydajność kilkadziesiąt GJ/h – zasilanie osiedlowych sieci cieplnych. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Rok 1953 Budowa pierwszej magistrali ciepłowniczej zasilającej z Elektrowni Powiśle przebudowanej na Elektrociepłownię. Rok 1954 – pierwsza elektrociepłownia zawodowa – Żerań. Rok 1961 – Elektrociepłownia Siekierki. Lata 50-te i 60-te Przebudowa elektrowni na elektrociepłownie (Będzin, Zabrze, Miechowice-Bytom, Chorzów). Lata 70-te i 80-te Bloki ciepłownicze BC-50 i BC-100. Lata 90-te i początek XXI w. Fluidalne bloki ciepłownicze – udane inwestycje na Ślasku. Pierwsze bloki ciepłownicze gazowo-parowe (Zielona Góra, Gorzów). ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PODSYSTEM CIEPLNO-ENERGETYCZNY „Zbiór maszyn i urządzeń energetycznych oraz sieci ciepłowniczych, który w sposób scentralizowany zasila odbiorców w ciepło (za pośrednictwem gorącej wody lub pary” Elementy podsystemu elektrociepłownie i ciepłownie, sieci przesyłowe, węzły cieplne, instalacje odbiorcze grzewczo-wentylacyjne i ciepłej wody użytkowej”.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Podsystem cieplnoenergetyczny, w odróżnieniu od podsystemów elektro- i gazoenergetycznego, nie stanowi zwartej całości ani fizycznie, ani organizacyjnie z powodu ograniczonych odległości przesyłania nośnika ciepła. Podobieństwo występuje w zakresie (m.in.): • pracy równoległej urządzeń wytwórczych, • sposobu pokrywania obciążeń szczytowych, • ekonomicznego rozdziału obciążeń, • regulacji parametrów.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PRZYCZYNY CENTRALIZACJI ZAOPATRZENIA W CIEPŁO SPOŁECZNE zmniejszenie wysiłku ludzi, poprawa komfortu cieplnego, zmniejszenie niebezpieczeństwa pożarowego, zmniejszenie niebezpieczeństwa zatrucia. TECHNICZNO – EKONOMICZNE zmniejszenie zużycia paliwa na skutek poprawy sprawności urządzeń, zastosowanie skojarzonej gospodarki cieplno-elektrycznej, możliwość spalania węgla gorszej jakości, zmniejszenie kosztów transportu i obsługi. EKOLOGICZNE zmniejszenie zużycia paliwa → zmniejszenie emisji szkodliwych substancji, większe możliwości zastosowania urządzeń ochronnych. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Stan obecny podsystemu cieplnoenergetycznego Dla zaspokojenia potrzeb na ogrzewanie i przygotowania c.w.u. zużywa się około 60-70 % energii bezpośredniej (finalnej) przeznaczonej do gospodarstw domowych. Produkcja ciepła scentralizowanego ~550 PJ Moc osiągalna PEC – 70 GWth Moc osiągalna EC zawodowych – 10 GWth ą Moc osiągalna ciepłowni zawodowych – 5 GWth Łączna długość sieci ciepłowniczych w Polsce 16 000 km Sprawność przesyłania ciepła

η

pc

= 86%

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrociepłownie węglowe – udział energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu z produkcją ciepła (Polska ~20%, Dania ~ 60 %) σ = 0,4 ÷ 0,5

η Eec = 80 % − ∆E ch = 0,45 ÷ 0,55 Q Elektrociepłownie gazowe i gazowo-parowe σ = 0,5 ÷ 0,8 elektrociepłownie opalane gazami technologicznymi (np. gaz kopalniany, gaz wielkopiecowy) są opłacalne, elektrociepłownie opalane gazem ziemnym pozasystemowym są opłacalne jeżeli czas wykorzystania nominalnej mocy cieplnej jest odpowiednio wysoki (odbiory c.w.u.), elektrociepłownie zasilane gazem ziemnym systemowym są obecnie nieopłacalne. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Uciepłownienie bloków energetycznych elektrowni Wskaźnik ubytku mocy elektrycznej: ε = 0,15 ηEc = 0,8 ÷ 0,85 − ∆E ch = 0,8 Q Elektrociepłownie przemysłowe Moc elektryczna zainstalowana – 3 GW ~ 10 % mocy osiągalnej ~ 6 % krajowej produkcji energii elektrycznej Dobudowa członu gazowego do istniejącej części parowej – poprawa efektywności energetycznej wykorzystania technologicznych gazów palnych ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Terytorialne układy odzyskiwania energii odpadowej – wykorzystanie przemysłowej energii odpadowej w miejskich systemach ciepłowniczych Zastosowanie zasobników ciepła: ograniczenie wytwarzania ciepła w urządzeniach szczytowych (kotły wodne), produkcja dodatkowej szczytowej energii elektrycznej. Kogeneracja połączona z wytwarzaniem chłodu – trigeneration Możliwość poprawy stopnia wykorzystania energii chemicznej paliwa w elektrociepłowniach (sprawności energetycznej) o kilka punktów procentowych ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

SKOJARZONE WYTWARZANIE CIEPŁA I ELEKTRYCZNOŚCI Argumenty za skojarzeniem: • skrócenie łańcucha nieodwracalnych przemian termodynamicznych, • wyższe parametry termodynamiczne – wyższe sprawności energetyczne, • częściowa kompensacja strat przesyłania ciepła. Q N

Q N

SC

SG

T

Q g

Tg Tot

PG

Q g

Q ot Q ot

S

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Gospodarka rozdzielona

Gospodarka skojarzona

-∆E=110+120-175=55 PES=55/230=0,24 ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Drogi realizacji skojarzonej gospodarki cieplno–elektrycznej (kogeneracji) • elektrociepłownie węglowe, • elektrociepłownie gazowe i gazowo-parowe, • uciepłownienie bloków elektrowni zawodowych, • elektrociepłownie przemysłowe, • układy skojarzone połączone z wytwarzaniem chłodu (trigeneration), • zastosowanie zasobników ciepła w elektrociepłowniach. Udział elektrociepłowni w krajowej produkcji elektryczności – ok. 20%.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

ROZDZIELONE WYTWARZANIE CIEPŁA I ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Eel Ech el

Q

Ech c

~

KW

; ELEKTROWNIA KONDENSACYJ NA (KLASYCZNA)

CIEPŁOWNIA

η Ec

Q = E ch c

η Ec = 70 ÷ 80 %

η E el

E el η E el = = E ch el

36 ÷ 37 %

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

SKOJARZONA GOSPODARKA CIEPLNOELEKTRYCZNA Elektrociepłownia Eel Ech ec

~ ELEKTROCIEPŁOWNIA

Q

η E ec =

Q + E el E ch ec

η E ec = 75 ÷ 80 % ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Efekty energetyczne skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej E el 0 = idem

Q0 = idem E ch r =

Q0 η 'pc η Ek c

+

E el 0 η 'tp η E ek

 Q0 E el 0  + E ch ec =   η E ec  η pc η tp (1 − ε )  1

E ch ec =

G p Δi p ηEk ec

Qw + η E kw

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

 1 1  − ∆E ch = Q 0  − '  η E kc η pc η E ec η pc 

   + E el 0  

  1 1   − ' η η E ec η tp (1 − ε )  η E ek tp  

 1  − ∆E ch 1 1 1 = − +σ −  (1 − ε ) Q η E k c η E ec  η E ek η E ec (1− ε ) 

E el σ= Q ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Zależność wskaźnika oszczędności energii chemicznej paliwa od wskaźnika skojarzenia ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Efekty ekologiczne skojarzonej gospodarki cieplno-elektrycznej Si r =

Q0 η 'p c η Ek c Wd c

eic +

E el 0 η 'tp η E ek Wd ek

e i el

E el 0 Q0 + η p c η tp (1− ε ) S i ec = e i ec η E ec Wd ec

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

 eic e i ec  − − ∆S i = Q 0   η 'p c η Ek c Wd c η p c η E ec Wd ec 

  +  

  e i el e i ec   + E el 0  −  '  η tp η E ek Wd ek η η tp Wd ec (1 − ε )  E ec  

− ∆S i 1 = Q Wd

 e i c e i ec  −  η Ek c η E ec

  e i ek  e i ec  + σ (1 − ε )   −   η E ek η E ec (1 − ε )    

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

0.34

− ΔS SO2 Q

0.33 kg GJ

η E CHP

5 = 0 .8

0.32 η E CHP =

0.80

0.31 ηE CHP = 0.75

0.30 0.29

ηE CHP = 0.70

0.28 0.1

0.2

0.3

0.4

σ

0.5

Zmniejszenie emisji SO2 dzięki zastosowaniu skojarzenia gospodarki cieplno-elektrycznej ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Rozwój skojarzonej gospodarki cieplno-elektrycznej w Polsce R. 1939 – pierwsza turbina przeciwprężna na ziemiach polskich Lata powojenne – przekształcenie części przedwojennych elektrowni kondensacyjnych w elektrociepłownie Lata 60-te i 70-te – turbiny ciepłownicze Lata 80-te – bloki ciepłownicze BC-50, BC-100 Lata 90-te – bloki ciepłownicze z kotłami fluidalnymi Lata 95-05 – elektrociepłownie gazowo-parowe

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Udziały poszczególnych technologii w skojarzeniu układy upustowo-kondensacyjne układy przeciwprężne układy gazowe i gazowo-parowe silniki wewnętrznego spalania

• • • •

56,8% 32,8% 10% 0,4%

Udział poszczególnych paliw w skojarzeniu: • • • •

węgiel gaz ziemny olej biopaliwa i inne

79% 11% 8% 2%

Szacunkowa oszczędność energii chemicznej paliw -76,5 PJ/rok (~3,5 mln ton węgla o Wd=22 MJ/kg) ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

SKOJARZONA GOSPODARKA CIEPLNO-ELEKTRYCZNA POŁĄCZONA Z WYTWARZANIEM CZYNNIKA CHŁODNICZEGO „TRIGENERATION” Scentralizowane systemy wytwarzania i przesyłania czynnika chłodniczego Zastosowanie agregatów chłodniczych absorpcyjnych lub sprężarkowych (również układy hybrydowe) Agregaty chłodnicze absorpcyjne – poprawa efektywności energetycznej i ekonomicznej elektrociepłowni BCHP (Buildings: Cooling, Heating and Power) Zintegrowane zasilanie budynków w nośniki energii i czynnik chłodniczy ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

SCENTRALIZOWANE WYTWARZANIE CHŁODU Temperatury – zasilanie: 4 ÷ 5oC; powrót: 12 ÷ 15oC Korzyści ze scentralizowanego zaopatrzenia w chłód: poprawa sprawności wytwarzania czynnika chłodniczego, mniejsze koszty obsługi, mniejsze zapotrzebowanie terenu. Czynniki wpływające na koszty scentralizo-wanego zasilania: •usytuowanie centrali chłodniczej w obszarze zaopatrzenia w chłód, •rodzaj energii napędowej i jej koszty, •możliwość wykorzystania zróżnicowanej taryfy za energię elektryczną. Poprawa efektywności ekonomicznej scentralizowanych systemów chłodniczych przez zainstalowanie zasobników zimna. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Przykładowy roczny wykres zapotrzebowania ciepła i zimna

Schemat ideowy skojarzonego układu cieplnoelektrycznego połączonego ze scentralizowanym systemem zaopatrzenia w zimno

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Wskaźnik zwiększenia efektu energetycznego gospodarki skojarzonej cieplno-elektrycznej dzięki technologii „trigeneration”  ∆Ech  −   Q  g t β=  ∆Ech  −   Q  g  

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Uciepłownienie – ubytek produkcji energii elektrycznej

Schemat ideowy uciepłownionego bloku energetycznego ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

E ch el = const

ε=

− ∆E el ε= Q

(G − ∆G)∆i T ηme G∆i od

∆i T ηme = iu − i w

przy czym:

∆i od ∆G = 1− G iu − i w

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Oszczędność energii chemicznej paliwa uzyskana dzięki przystosowaniu do ciepłownictwa bloku energetycznego

E ch r = E ch el + E ch c

Ech sk = Ech el + ∆Ech z

−ΔE ch = E ch c − ΔE ch z Qo ΔE el − ΔE ch = − η pc η Ec η E el z η − ΔE ch ε = − Q η pc η Ec η E el z ' pc

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Zależność jednostkowej oszczędności energii chemicznej paliwa od ubytku produkcji energii elektrycznej i sprawności ciepłowni oraz przesyłania ciepła ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy Blok 1

WP

wyloty bloki 3,4

SP

NP

A2

t6

t1 PC31

t4

t2

t3

A2

t5 PC4

PC2

PC1

PC32

A3

A3 Blok 2

WP

SP

NP

Schemat technologiczny uciepłowienia bloków ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Efekty ekonomiczne uciepłownienia bloków

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

WYSOKOSPRAWNA KOGENERACJA Dyrektywa 2004/8/EC w sprawie promowania kogeneracji Kryterium Produkcja ciepła i elektryczności w skojarzeniu powinna przynosić oszczędność energii chemicznej paliw pierwotnych w wysokości przynajmniej 10% w porównaniu z odpowiednimi wartościami dla rozdzielonej produkcji ciepła i elektryczności.

PES Primary Energy Savings    1  PES = 1 −  CHPHη CHPEη +  R ef Hη R ef Hη  

   E  = 1 − ch sk  Ech r   

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Analiza wskaźnika PES w przypadku elektrociepłowni z turbiną przeciwprężną

Ech sk =

(1 + σ )Qsk

η E ec

; Ech r

 1 σ  = Qsk +  η ref c η ref el 

   

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PES = 1 −

1+σ  1 σ   + η E ec  η ref c η ref el   

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrownia uciepłowniona

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Ech sk PES = 1 − Qsk Eel sk +

η ref c η ref el

Ech sk = Ech − Ech k Ech =

Eel

η E el

= const; Ech k =

Eel k

η E el

Eel k = Eel uc − Eel sk = Eel − uQsk − σQsk

Ech sk =

(u + σ )Qsk

η E el

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

PES = 1 −

σ +u  1 σ  η E el +  η ref c η ref el 

   

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrociepłownia gazowo-parowa

Eel TG S

TG

Eel TP TP

Q

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrociepłownia gazowo-parowa PES = 1 −

Ech sk Qsk

η ref c Ech sk =

+

Eel sk

η ref el

Qsk + Eel sk

η E ec gp

Eel sk = σ Qsk PES = 1 −

1+ σ  1 σ η E ec gp  +  η ref c η ref el 

   

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrociepłownia gazowo-parowa

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Silnik tłokowy gazowy

Paliwo

Spaliny

Eel

S G Q

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Silnik tłokowy gazowy

− ∆E ch =

•

N elη tp

η E el g Nη

' tp

+

•

Q η pc

η E c g Nη

' pc

−

N el + Q

η E ec g B

ε el ≈ 0

εc ≈ 0

η = β1 η tp

η 'pc = β2 η pc

' tp

1

(1 + σ )

η E ec g B PES = 1 − σ 1 + η E el g N β1 η E cg N β 2 ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Silnik tłokowy gazowy 0.4

η E el g

η E cg

PES N

N

ηE el g B=0.8

= 0,39

= 0,9

β1 = β 2 = 0,95

0.3

0.7 0.2

0.1 0.6

0.7

0.8

0.9

σ

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

1

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Wnioski z pracy zespołu pod przewodnictwem profesora Janusza Lewandowskiego na temat ANALIZA KRAJOWEGO POTENCJAŁU WYSOKOSPRAWNEJ KOGENERACJI Luty 2007 –Wdrażanie Dyrektywy UE o promowaniu skojarzenia Udział elektryczności produkowanej w skojarzeniu -

2005

2010

2015

2020

15%

19%

25%

32%

Oszczędność węgla uzyskana w wyniku wykorzystania potencjału kogeneracji mln t/rok

6,0

6,75

7,0

7,2

Zmniejszenie emisji CO2 mln t/rok

14,2

16,0

16,6

17,1

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

7. PODSYSTEM OZE Bilans strumienia energii słonecznej → Ziemia 173 000 TW ~ 30 % - promieniowanie odbite od atmosfery ziemskiej, ~ 47 % - pochłonięte przez lądy i morza (bezpośrednia zamiana na ciepło), ~ 23 % - zużycie w obiegu hydrologicznym na Ziemi (parowanie i opady), ~ 0,2 % - ruch powietrza i fal morskich, (370 TW) ~ 0,02 % - zużycie w procesie fotosyntezy (40 TW) Krajowe elektrownie – 0,035 TW – dla porównania ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

ENERGETYKA ŹRÓDEŁ ODNAWIALNYCH Energetyka wodna Moc zainstalowana ~2,2 GW (75 % S-P) Mała energetyka wodna (poniżej 5 MW) ~ 8 % Zasoby techniczne – 12 TWh/ rok Wykorzystanie krajowych zasobów – 12 % Wykorzystanie światowych zasobów – 27 % Zalecane wznowienie programu rozwoju dużej i średniej energetyki wodnej

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Energetyczne wykorzystanie biomasy Potencjał biomasy ~750 PJ/rok Współspalanie biomasy z węglem w elektrowniach może zapewnić osiągnięcie w 2010 roku udziału 7,5 % produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych Perspektywiczna technologia wykorzystania biomasy – gazyfikacja drewna Biopaliwa gazowe z wysypisk i oczyszczalni uzupełniają produkcję elektryczności i ciepła Energetyka geotermalna Potencjał: 1,8 mln t o.e./rok (Szargut) Zasoby eksploatacyjne: 3,3-5,5 t o.e./rok (AGH) Temperatura wód geotermalnych w Polsce 45 ÷ 75 ºC Ciepłownie geotermalne: Bańska – 9 MWt Pyrzyce – 15 MWt (50 MWt) Mszczonów, Uniejów ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Energetyka wiatrowa Najbardziej sprzyjające warunki: strefa przybrzeżna Bałtyku, Suwalszczyzna, Mazowsze. Moc zainstalowana ~250 MW. Rola energii wiatrowej w bilansie energetycznym Polski nie jest znacząca. Energetyka słoneczna Potencjał ~1000 PJ/rok. Słoneczne instalacje grzewcze mogą spełniać jedynie rolę wspomagającą w stosunku do konwencjonalnych systemów ogrzewania. Wykorzystanie płaskich kolektorów energii słonecznej do podgrzewania c.w.u., wody w basenach, powietrza do ogrzewania i celów rolniczych (suszenie, podgrzewanie gruntu w szklarniach) ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Odnawialne źródła energii Udział energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (OZE) w ogólnym zużyciu energii elektrycznej w Polsce wzrósł z 1,6% w 2000r. do 2,9% w 2006 r., przy jednoczesnym wzroście ogólnego zapotrzebowania na energię elektryczną w tym okresie o 8,7%. W krajach UE-25 udział OZE w zużyciu energii elektrycznej brutto w 2005 r. wynosił ok. 14%. Obecna struktura wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych jest następująca: 48% elektrownie wodne, 46% biomasa i biogaz, 6% elektrownie wiatrowe. Polska jest krajem o ograniczonych możliwościach wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Uważa się, że w polskich warunkach biomasa i energia wiatrowa oferują największy potencjał do wykorzystania. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

8. PODSYSTEM ENERGETYKI ROZPROSZONEJ Energetyka rozproszona bazuje na dwóch grupach technologii: •technologie wykorzystujące paliwa nieodnawialne (węglowodorowe) w turbinach gazowych, silnikach tłokowych, mikroturbinach i ogniwach paliwowych; •technologie wykorzystujące odnawialne źródła energii dla produkcji ciepła (geotermia, kolektory słoneczne) i energii elektrycznej (małe elektrownie wodne, elektrownie wiatrowe, biomasa i biopaliwa, fotowoltaika). Przesłanki rozwoju energetyki rozproszonej: •dojrzałość technologiczna urządzeń, •promowanie technologii OZE i układów skojarzonych przez UE, •zaostrzenie norm emisji dla dużych źródeł konwencjonalnych, •zainteresowanie źródłami energetyki rozproszonej przez samorządy lokalne.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Energetyka rozproszona pojawiła się w ostatnim dwudziestoleciu jako nowy uczestnik liberalizującego się rynku nośników energii. W świecie jest eksploatowanych kilkadziesiąt tysięcy układów elektrowni, elektrociepłowni i ciepłowni małej mocy. Układy energetyki rozproszonej są przede wszystkim budowane w krajach rozwiniętych, w których ochrona środowiska należy do priorytetowych kierunków działalności państwa. Uzależnienie wytwarzania energii elektrycznej w niektórych źródłach energetyki rozproszonej od czynników losowych (siła wiatru, zachmurzenie, poziom wody) stanowi poważną trudność przy sterowaniu KSE w nowych warunkach. Jednym z głównych parametrów świadczącym o jakości energii elektrycznej jest częstotliwość. Spadek częstotliwości może być spowodowany wypadnięciem lub zmniejszeniem mocy źródła energetyki rozproszonej, a wzrost częstotliwości załączeniem do pracy kolejnych źródeł. Wymaga to, aby w elektrowniach systemowych zarezerwować odpowiednią moc na potrzeby regulacji częstotliwości. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Ograniczenie negatywnego oddziaływania źródeł energetyki rozproszonej na KSE jest możliwe przez odpowiednie sterowanie blokami w elektrowniach systemowych. Część zakłóceń może być eliminowana za pomocą innych źródeł energetyki rozproszonej jeżeli będą wyposażone w urządzenia sterowania i centralnego zadawania mocy. Na bilansowanie mocy w KSE fluktuacje mocy wprowadzane przez źródła energetyki rozproszonej mają podobny wpływ jak fluktuacje mocy wprowadzane przez zmienne obciążenie u odbiorców i mogą być z nimi sumowane, a następnie łącznie analizowane i kompensowane. Źródła energetyki rozproszonej mogą być wykorzystane do świadczenia usług regulacyjnych na rzecz KSE, szczególnie jako rezerwa krótkookresowa (sekundowa, minutowa czy godzinowa). Cenną usługa systemową byłby udział w odbudowie mocy systemu w przypadku dużych awarii systemowych dzięki zdolności szybkiego uruchomienia małych bloków. Umożliwiłoby to podanie napięcia i uruchamianie bloków parowych w elektrowniach systemowych.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

MAŁE UKŁADY KOGENERACYJNE Zastosowania MINIELEKTROCIEPŁOWNIE KOMERCYJNE Ciepło i energia elektryczna wytwarzane w celu sprzedaży na lokalnym rynku energii. Lokalna sieć ciepłownicza o niskich parametrach. Budowane w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców. OSIEDLA MIESZKANIOWE Praca w tzw. trybie „wyspowym”. Pokrywanie zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną przez 24 godziny. Układ składa się często z modułów o różnych mocach. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

MAŁE ZAKŁADY PRZEMYSŁOWE Zakłady przemysłu spożywczego, papierniczego, skórzanego itp. Układy gazowo – parowe ze względu na zapotrzebowanie na parę technologiczną. Możliwość wykorzystania palnych gazów technologicznych. CAMPUSY UNIWERSYTECKIE, SZKOŁY Nośnik ciepła pokrywa zapotrzebowanie na ogrzewanie, przygotowanie c.w.u., klimatyzację. Energia elektryczna przede wszystkim na oświetlenie.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

OŚRODKI SPORTOWE Energia elektryczna na cele oświetleniowe. Gorąca woda w celach grzewczych. Zapotrzebowanie zimna – lodowiska – zastosowanie technologii „ trigeneration”. SZPITALE Zapotrzebowanie na ciepło grzejne, c.w.u., ciepło do wentylacji, parę do pralni i sterylizacji oraz na energię elektryczną. Zastosowanie układów z silnikami spalinowymi. Kombinowane układy gazowo – parowe połączone ze spalarnią odpadów szpitalnych. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

BIUROWCE Charakterystyka energetyczna podobna jak dla obiektów szkolnych. Zapotrzebowanie do celów klimatyzacji wydłuża czas zapotrzebowania na ciepło. HOTELE Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania, klimatyzacji i wentylacji oraz na energię elektryczną występuje przeciętnie przez 18 godzin na dobę. Długi roczny czas wykorzystania układu kogeneracyjnego. LOTNISKA Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji oraz na energię elektryczną praktycznie przez 24 godziny. Układy skojarzone budowane w systemie modułowym. Zazwyczaj jeden agregat w zimnej rezerwie. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

SZKLARNIE I SUSZARNIE Duże zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną do oświetlenia. Przyśpieszona wegetacja w warunkach sztucznego światła dziennego (duże zużycie energii elektrycznej). Spaliny wylotowe z układu kogeneracyjnego wykorzystane bezpośrednio w suszarniach. OCZYSZCZALNIE ŚCIEKÓW Gaz z fermentacji biologicznej jako paliwo. Zapotrzebowanie na ciepło w zbiornikach fermentacyjnych (utrzymywanie stałej temperatury). Energia elektryczna do napędu urządzeń. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

TURBINY GAZOWE W MAŁYCH CHP Turbiny lotnicze: ηE TG = 40 % wysokoobrotowe – 20 ÷ 25 tys. obrotów/min mały ciężar (1 MW – 1 t) budowa kompaktowa moce – 1 MW i niżej Turbiny stacjonarne: większe moce duży ciężar niższe obroty – 15 tys. obrotów/min Temperatura spalin wylotowych – 500 ÷ 570 ºC Wskaźnik skojarzenia σ = 0,4 Dopalanie w kotle odzyskowym ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Zalety tłokowych silników spalinowych w aspekcie zastosowania w małych CHP dostępność rynkowa w szerokim zakresie mocy; minimum – kilkanaście kW , maksimum – 20 MW, stosunkowo wysokie sprawności energetyczne ηEs = 35 ÷42 % niższe ceny w porównaniu z turbinami gazowymi, konkurencyjny rynek dostawców, budowa kompaktowa typu „black box”, zdalne sterowanie – urządzenie praktycznie bezobsługowe. Struktura wytwarzania ciepła: 30 % - układ chłodzenia silnika, 25 % - spadek entalpii spalin, 8 % efekt kondensacji H2O Wskaźnik skojarzenia: σ = 0,5 ÷ 1 ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

GAZ Z ODMETANOWANIA KOPALŃ przykłady projektów krajowych KWK Krupiński – CHP Agregat prądotwórczy firmy MWM Deutz Nel = 2713 kWe Q = 3157 kWt Udział metanu w gazie: 50 ÷60 % ηE el = 38,4 % KWK Pniówek – system energetyczno-chłodniczy 2 agregaty prądotwórcze o mocach Nel = 3,2 MWel Q = 3 MW 3 agregaty chłodnicze: absorpcyjne – 1750 kW i 530 KW sprężarkowy – 570 kW ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Ogniwa paliwowe Zalety: wysoka sprawność konwersji energii (not Carnot cycle), praktycznie zerowy poziom bezpośredniej emisji szkodliwych substancji; niski poziom hałasu i wibracji, modułowa budowa stosów – dostosowanie mocy nominalnej do zapotrzebowania, możliwość stosowania różnych źródeł wodoru (węglowodory, alkohole, produkty zgazowania węgla). Wady: krótki czas pracy ogniwa wynikający z erozji elektrod; 30 ÷40 tys. godzin, wysokie nakłady inwestycyjne wrażliwość niektórych typów ogniw na zanieczyszczenia w paliwie, konieczność separacji CO z uwagi na wrażliwość katalizatorów elektrodowych zawierających platynę.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Małe układy skojarzone zasilane biogazem Materiały wyjściowe: odpady biologiczne, odpady z przemysłu (głównie spożywczego), gnojowica, gnój, nadwyżki produktów rolniczych. Cechy dodatnie: niskie koszty pozyskania paliwa, korzyści rolnicze – neutralizacja zapachów, obniżenie działania trawiącego, mineralizacja organicznego azotu, korzyści energetyczne – produkcja energii elektrycznej, ciepła i zimna, zmniejszenie emisji CH4 i NH3, zmniejszenie przechodzenia azotanów do wody gruntowej, substytucja paliw kopalnych. Cechy ujemne: ograniczenie podaży biogazu (mała liczba dużych farm hodowlanych), zwykle brak przyłącza gazu ziemnego (rezerwowanie zasilania w paliwo), zwykle brak przyłącza do sieci ciepłowniczej. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

9. PODSYSTEM ENERGETYKI JĄDROWEJ (w organizacji) Energetyka jądrowa (rys historyczny) Rok 1911 – Ernest Rutherford wykazał istnienie jądra atomowego. Rok 1932 – James Chadwick – odkrycie neutronu. Rok 1939 – Otto Hahn i Fritz Strassman – odkrycie zjawiska rozszczepienia jąder uranu za pomocą neutronów. Rok 1942 – uruchomienie pierwszego reaktora jądrowego przez zespół Enrico Fermiego. Rok 1945 – pierwsza próba bomby atomowej (pustynia Alamogordo w Nowym Meksyku - USA); Hiroszima i Nagasaki – oby nigdy więcej! Rok 1954 – uruchomienie pierwszej elektrowni jądrowej w Obnińsku (ZSRR) – 5 MW. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Reaktory energetyczne I i II generacji (do 1995): PWR (Pressurised Water Reactor) i WWER– wodne ciśnieniowe – 256 BWR (Boiling Water Reactor) – z wrzącą wodą – 90 PHWR (Pressurised Heavy Water Reactor) – z ciężką wodą pod ciśnieniem – 29 LWGR i RBMK (Light Water Graphite Reactor; Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj) – z wrzącą wodą i grafitowym moderatorem – 20 GCR (Gas Cooled Reactor) – reaktor chłodzony gazem – 34 FBR (Fast Breeder Reactor) – reaktor powielający na szybkich neutronach – 4 ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Największe elektrownie jądrowe Fukushima (Japonia) – 10 bloków BWR, 9096 MW Kashiwazaki (Japonia) – 7 bloków BWR, 8212 MW Zaporoże (Ukraina) – 6 bloków WWER-1000, 6000 MW Gravelines (Francja) – 6 bloków PWR, 5706 MW Paluel (Francja) – 4 bloki PWR, 5528 MW Bruce (Kanada) – 6 bloków PHWR( CANDU), 5428 MW Moc zainstalowana w świecie – ponad 350 GW (około 450 reaktorów) Paliwo jądrowe w strukturze energii pierwotnej – 5,5% Udział w produkcji elektryczności – 15%.

Duże awarie 1979 – Three Mile Island (USA) 1986 – Czarnobyl ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Reaktory lekkowodne III generacji: EPR 1650 – European Pressurized Reactor AP 1000 – Advanced Pressurized APWR 1500 – Advanced Pressurized Water Reactor APR 1400 – Advanced Pressurized Reactor Reaktory wysokotemperaturowe – HTR (High Temperature Reactor). Synergia jądrowo-węglowa – zgazowanie węgla powiązane z reaktorem HTR Pasywne systemy bezpieczeństwa – wykorzystanie zjawisk naturalnych jak grawitacja i naturalna konwekcja. Reaktory inherentnie bezpieczne. Generacja III+. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

W reaktorach jądrowych typu PWR (WWER) istnieją 4 bariery zabezpieczające przed uwalnianiem substancji radioaktywnych z rdzenia reaktora do otoczenia elektrowni, a mianowicie: •materiał paliwowy, •koszulka paliwowa, •ścianki pierwotnego obiegu chłodzenia, •obudowa bezpieczeństwa lub wieża nadciśnienia awaryjnego. Materiał paliwowy w postaci pastylek spieku UO2 skutecznie zatrzymuje produkty rozszczepienia w krystalicznej strukturze tlenku uranu. W szczelinie między paliwem a koszulką występują tylko nieliczne produkty rozszczepienia, jak jod i ksenon. Koszulka ze stopu cyrkonu jest drugą barierą zatrzymującą nuklidy promieniotwórcze. Bardzo małe ilości pierwiastków promieniotwórczych mogą się jednak przedostać do pierwotnego obiegu chłodzącego. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Ścianki z nierdzewnej stali o grubości kilku centymetrów stanowią trzecią barierę bezpieczeństwa. Czwartą barierą jest hermetyczna, dwupowłokowa obudowa bezpieczeństwa. To dzięki niej w czasie awarii amerykańskiej elektrowni atomowej Three Mile Island nie było zagrożenia dla mieszkającej w pobliżu ludności. W przypadku reaktorów WWER stosuje się wieżę nadciśnienia awaryjnego, połączoną z pomieszczeniem reaktora. Wewnątrz wieży znajdują się półki ze zbiornikami wody, przez które musi przepłynąć para wypychana pod ciśnieniem z pomieszczenia reaktora. Para przechodząc przez wodę ulega skropleniu co powoduje obniżenie ciśnienia (powstaje podciśnienie) co uniemożliwia przedostanie się na zewnątrz produktów rozszczepienia. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Uwarunkowania rozwoju energetyki jądrowej w Polsce Polskie plany budowy elektrowni jądrowych (zgodne z założeniami polityki energetycznej do 2030) powinny być oparte o obecnie istniejące i sprawdzone komercyjne rozwiązania technologiczne, praktycznie więc o jądrowe reaktory energetyczne chłodzone wodą na paliwie uranowym lub uranowym wzbogaconym plutonem. Według opinii ekspertów reaktory lekkowodne (LWR) będą dominowały do 2030, a nawet do 2050. Ich rozwój będzie postępował w kierunku znacznie podwyższonych standardów bezpieczeństwa. Zdaniem ekspertów za LWR przemawiają następujące okoliczności: • dwa takie obiekty są budowane w Europie, a znacznie więcej inwestycji rozpoczęto w świecie, • jest stosunkowo duża liczba zamówień na reaktory LWR III generacji. Konkurencją dla LWR może być jedynie reaktor chłodzony ciężką wodą (CANDU). ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Bloki jądrowe z reaktorami wodnymi charakteryzuje wysoki koszt inwestycyjny, ponad dwukrotnie wyższy – w odniesieniu do jednostki mocy elektrycznej – od kosztu inwestycyjnego elektrowni węglowej. W dodatku pierwsze bloki obarczone są zwykle dodatkowym kosztem wynikającym z braku doświadczeń. W warunkach polskich dochodzą do tego wydatki specjalne na organizację zaplecza prawno – administracyjno – edukacyjnego, a także naukowego. W warunkach skromnych możliwości kapitałowych może to stanowić problem ograniczający liczbę budowanych bloków jądrowych. Z drugiej jednak strony obecnie powstające elektrownie jądrowe z reaktorami generacji III lub III+ mają przewidywany czas pracy minimum 60 lat.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Budując elektrownię jądrową obecnie tworzy się zatem inwestycję, która powinna służyć kilku następnym pokoleniom. Dodatkowe koszty ponoszone przed i w trakcie budowy pierwszej elektrowni jądrowej dają określone i widoczne, choć niewymierne, korzyści dodatkowe. Korzyści te to np. wzrost świadomości i poziomu wiedzy technicznej lub promocja nowych technologii na najwyższym światowym poziomie. Polska przystępując do budowy pierwszej elektrowni jądrowej powinna wykorzystać doświadczenia krajów, które zbudowały już u siebie energetykę jądrową. Podstawowym warunkiem sukcesu jest oddanie elektrowni jądrowej do eksploatacji w przewidywanym terminie. Każde opóźnienie w uruchomieniu elektrowni jądrowej wpływa na koszty zamrożenia kapitału. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Na podstawie doświadczeń z realizowanej budowy ostatniej elektrowni jądrowej w Finlandii wynikają następujące wnioski dla Polski: • • • •

należy budować elektrownię jądrową, która ma już swój prototyp w innym kraju, dokumentacja wykonawcza musi być skompletowana przed przystąpieniem do budowy, wykonawcy powinni być dobrze przygotowani do realizacji inwestycji, z polskim inwestorem powinien współpracować partner zagraniczny posiadający doświadczenie z budową własnych elektrowni jądrowych.

Aby nie dopuścić do opóźnienia w uruchomieniu elektrowni jądrowej na skutek protestów społecznych, dyskusje ze społeczeństwem nad celowością inwestycji i bezpieczeństwem reaktora jądrowego oraz nad wymaganiami, jakich powinien dotrzymać inwestor, należy przeprowadzić przed rozpoczęciem budowy.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

10. PODSYSTEM ENERGETYKI PRZEMYSŁOWEJ Charakterystyka krajowej energetyki przemysłowej Przemysł jest obok sektora bytowo-komunalnego głównym odbiorcą energii bezpośredniej. Na początku lat osiemdziesiątych udział przemysłu w zużyciu energii bezpośredniej wynosił ponad 50%. Aktualnie udział ten wynosi około 32%. W zużyciu energii bezpośredniej udział czterech przemysłów: hutnictwa żelaza i metali nieżelaznych, chemicznego, paliwowo-energetycznego i mineralnego jest dominujący

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Hutnictwo żelaza Krajowe hutnictwo żelaza należy do głównych konsumentów energii. W scenariuszach rozwoju gospodarczego Polski założono w porównaniu z okresem przed transformacją znaczny spadek udziału hutnictwa żelaza w krajowej produkcji przemysłowej (produkcja na poziomie 10 mln ton stali surowej). Jednak jego udział w zapotrzebowaniu krajowego przemysłu na energię bezpośrednią będzie dalej znaczny. W krajowym hutnictwie żelaza około 60% dostarczonej energii zużywają wydziały surowcowe (koksownie, spiekalnie i wielkie piece), przy czym ponad połowa tego zużycia przypada na wielkie piece. W nowoczesnej hucie żelaza pracującej według schematu wielkie piece – konwertory tlenowe, udział spiekalni i wielkich pieców w bezpośrednim zużyciu energii przekracza 75%. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Hutnictwo metali nieżelaznych

Hutnictwo metali nieżelaznych dzieli się na część surowcową oraz przetwórczą. Największą wagę mają problemy cieplno-energetyczne w części surowcowej hutnictwa, głównie miedzi. Polska ze swoją produkcją miedzi około 580 000 t/rok wpływa na światowy rynek miedzi. W krajowych hutach miedzi stosowane są dwie technologie otrzymywania miedzi. Jedna polega na wytopie kamienia miedziowego w piecu szybowym, w drugiej zaś stosuje się proces zawiesinowy Outokumpu. W Polsce są stosowane dwie metody otrzymywania cynku: redukcja tlenków w piecu szybowym i metoda hydroelektrometalurgiczna. W procesie szybowym 80% energii dostarczonej stanowi energia chemiczna koksu. W drugiej metodzie energia elektryczna stanowi około 82% energii doprowadzonej. Aluminium pierwotne otrzymuje się w procesie elektrolizy tlenku glinowego rozpuszczonego w stopionym kriolicie w elektrolizerach. Około 80% energii stanowi energia elektryczna (12 MWh/t Al). Radykalne obniżenie wskaźnika zużycia energii można osiągnąć przez zastosowanie anod spieczonych. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Koksownictwo Polska z produkcją koksu na poziomie około 9-10 mln t należy do czołówki europejskiej. Głównym odbiorcą koksu jest proces wielkopiecowy. Największa pozycją w stratach procesu koksowania stanowi entalpia fizyczna koksu wypychanego z komór koksowniczych. Jego temperatura wynosi 1000-1100 oC. Tradycyjnie koks jest gaszony za pomocą intensywnego natrysku wodą. Ciepło tracone przy mokrym gaszeniu koksu stanowi około 40 do 45% energii chemicznej gazu zużywanego do opalania baterii. Strat tych można uniknąć poprzez zastosowanie instalacji suchego gaszenia koksu, z której spaliny podgrzane do temperatury 700÷800°C wykorzystuje się do produkcji pary w kotle odzyskowym. W Polsce jedyna instalacja suchego gaszenia koksu działa w koksowni obok Huty Katowice.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Przemysł chemiczny Przemysł chemiczny należy obok hutnictwa do najbardziej energochłonnych krajowych przemysłów. Największy udział w zużyciu nośników energetycznych na poziomie dostaw mają zakłady zgrupowane w następujących branżach: • przemysł rafineryjny wraz z petrochemicznym i azotowym, • przemysł nieorganiczny, • przemysł kopalnictwa surowców chemicznych, • przemysł włókien chemicznych. W zakresie gospodarki cieplnej można wymienić następujące możliwości racjonalizacji: modernizacja kotłów przez przystosowanie palenisk do fluidalnego spalania węgla, • zastosowanie układów gazowo-parowych w elektrociepłowniach, • poprawa wykorzystania przemysłowej energii odpadowej w celach grzejnych, • poprawa stanu izolacji rurociągów pary i gorącej wody, • racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point Technology). ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Przemysł mineralny Dzięki przejściu z produkcji cementu metodą mokrą na metodę suchą udało się w Szwajcarii obniżyć średnią energochłonność o 30%. W Polsce należałoby się spodziewać efektów podobnego rzędu. Przemysł drzewny i celulozowo-papierniczy Perspektywą rozwoju przemysłu drzewnego w zakresie energetyki przemysłowej jest dążenie wszystkich zakładów do samowystarczalności energetycznej. Można to osiągnąć przez dalszy rozwój technologii i urządzeń do spalania odpadów drzewnych w miejscu ich powstawania. Przemysł spożywczy Możliwości racjonalizacji gospodarki energetycznej w przemyśle spożywczym są związane z następującymi przedsięwzięciami: zastosowanie skojarzonych układów ziębno-grzejnych, wykorzystanie oparów, ochładzanie ścieków, stosowanie akumulacji ciepła, racjonalizacja sieci wymienników ciepła za pomocą metody PPT (Pinch Point Technology). ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrociepłownie przemysłowe Charakterystyka krajowych elektrociepłowni przemysłowych Moc elektryczna zainstalowana w energetyce przemysłowej wynosi około 3 GW. Łączna liczba elektrociepłowni zakładowych wynosi około 220, przy czym ponad 80 % stanowią elektrociepłownie o mocy elektrycznej do 20 MW. Największa elektrociepłownia przemysłowa (Rafineria Płock) ma moc elektryczną ponad 300 MW. W kolejnej co do wielkości elektrociepłowni hutniczej Nowa, jest zainstalowana moc elektryczna 125 MW. Elektrociepłownie przemysłowe stanowią istotną część krajowego podsystemu elektroenergetycznego (udział 10 % w mocy osiągalnej i 6 % w produkcji energii elektrycznej). Mogą one w znacznym stopniu wpływać na bilans mocy i energii elektrycznej w kraju pod warunkiem należytego ich wykorzystania, właściwej eksploatacji i odpowiedniej modernizacji urządzeń. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Elektrociepłownie przemysłowe wielopaliwowe Charakterystyczne dla elektrociepłowni przemysłowych jest wykorzystywanie paliw odpadowych. Typowym przykładem są tutaj elektrociepłownie hutnicze. Realizacja technologii hutniczych jest związana z produkcją palnych gazów przemysłowych. Obecnie palne gazy hutnicze są spalane w kotłach elektrociepłowni w mieszance z węglem kamiennym. Kotły wielopaliwowe w elektrociepłowniach hutniczych odznaczają się specyficzną charakterystyką energetyczną zależną od udziału gazów w mieszance. Spośród gazów palnych dominujący wpływ na warunki spalania i wymiany ciepła ma najuboższy gaz wielkopiecowy ze względu na jego ilość. Wraz ze zmianą udziału gazu wielkopiecowego w mieszance zmienia się sprawność energetyczna kotła i jego wydajność maksymalna trwała.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Modernizacja elektrociepłowni przemysłowych przez dołączenie członu gazowego Poprawę efektywności energetycznej elektrociepłowni przemysłowych można uzyskać przez dobudowę członu gazowego do istniejącej części parowej elektrociepłowni. Modernizację taką najłatwiej można zrealizować wykorzystując standardowe turbiny gazowe zasilane gazem ziemnym systemowym. Opracowane jednak dla kilku polskich elektrociepłowni przemysłowych projekty takiej modernizacji nie doczekały się praktycznej realizacji ze względu na niespełnione kryterium ekonomiczne. Jest to wynikiem niekorzystnej dla odbiorców przemysłowych obowiązującej w Polsce struktury taryf na gaz ziemny. Wykorzystanie palnych gazów hutniczych do takiej modernizacji nie napotyka na tę barierę. W zagranicznych elektrociepłowniach hutniczych od kilkunastu lat stosuje się z powodzeniem układy gazowo-parowe zasilane hutniczymi gazami palnymi. Układ gazowy można włączyć równolegle do istniejącego obiegu elektrociepłowni podwyższając efektywność wykorzystania hutniczych gazów palnych. Przedsięwzięcie to nazywa się popularnie „repowering”.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

WYKORZYSTANIE ENERGII ODPADOWEJ Procesy energetyczne powinny być w zasadzie tak realizowane, aby energia napędowa była wykorzystana jak najpełniej w granicach technicznych możliwości i opłacalności ekonomicznej. Przykładem takiego procesu jest siłownia parowa, w której stopień wykorzystania spalin w kotle i pary rozprężanej w turbinie kondensacyjnej jest ekonomicznie uzasadniony. W wielu jednak cieplnych procesach przemysłowych występują nośniki energii odpadowej (spaliny, palne gazy odlotowe, opary), które mogą być wykorzystane w sposób opłacalny. Wykorzystanie energii odpadowej prowadzi do oszczędności paliw podstawowych (węgla, gazu ziemnego, oleju opałowego), przy czym przedsięwzięcie to niejednokrotnie wymaga mniejszych nakładów niż pozyskiwanie paliw nieodpadowych. Wykorzystanie energii odpadowej pozwala zmniejszyć także nakłady na transport i przetwarzanie paliw oraz wpływa na zmniejszenie emisji szkodliwych substancji. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Rekuperacja fizyczna W wielu procesach technologicznych przebiegających przy podwyższonej temperaturze nie jest możliwe dostateczne wykorzystanie entalpii fizycznej spalin. Rekuperacja fizyczna polega na wykorzystaniu spalin odpływających z pieca przemysłowego do podgrzania substratów spalania. Jest to jeden z najbardziej efektywnych sposobów wykorzystania energii odpadowej. O wysokiej efektywności energetycznej rekuperacji świadczy wartość mnożnika oszczędności energii chemicznej paliwa:

ωE = ωE

− ∆PWd (PWd )0

μE

40

3,3

%

3,1

ts0=1000oC

35

− ∆PWd µE = >1 Qr

2,9 2,7

30

ts0=1000oC

2,5 2,3

25

2,1 1,9

20

1,7 15 200

300

400

500

600

700 o

C

800

tA

1,5 200

300

400

500

600

700

o

C

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

800

tA

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Kotły odzyskowe Kotły odzyskowe stosuje się wówczas, gdy wykorzystanie spalin lub gazów odlotowych w rekuperatorach nie jest potrzebne lub jest zbyt małe albo gdy parametry spalin wymagają zastosowania ochronnej powierzchni ogrzewanej. Rozwiązanie konstrukcyjne kotła odzyskowego zależy od temperatury gazów dolotowych. Kotły odzyskowe w przemyśle chemicznym stanowią organiczny element ciągu technologicznego. Instalowanie kotłów odzyskowych wpływa w sposób bezpośredni i pośredni na ochronę środowiska. Instalacje chłodnicze Spaliny o niezbyt wysokiej temperaturze można wykorzystać do zasilania ziębiarek absorpcyjnych. Wytwarzany czynnik chłodniczy można zastosować do celów klimatyzacji lub do celów technologicznych (np. do obniżenia temperatury powietrza przed urządzeniami sprężającymi). Dzięki obniżeniu temperatury powietrza przed sprężaniem można uzyskać bądź zmniejszenie mocy napędowej przy zachowaniu stałej wydajności, bądź też zwiększenie wydajności przy zachowaniu mocy napędowej na stałym poziomie. Rekuperacja chemiczna Podgrzewanie komór konwersji za pomocą spadku entalpii spalin wylotowych

CH 4 + H 2O ↔ CO + 3H 2

− 206 MJ / kmol

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Chłodzenie wyparkowe Elementy konstrukcyjne wysokotemperaturowych urządzeń energotechnologicznych wymagają chłodzenia ze względu na ograniczoną żaroodporność. Zastąpienie tradycyjnego chłodzenia wodą surową przez chłodzenie z odparowaniem przynosi korzyści w postaci produkcji użytecznego nośnika energii (ok. 60% efektu), zmniejszenia zużycia wody (około 20% efektu) i przedłużenia trwałości elementów (ok. 20% efektu). Turbiny odzyskowe Dławienie gazów odlotowych z procesów pracujących przy podwyższonym ciśnieniu powoduje stratę egzergii. Celowe jest więc zainstalowanie turbiny odzyskowej (popularnie nazywanej turbiną rozprężną) wykonującej pracę kosztem egzergii gazu odlotowego. Stosuje się turbiny odzyskowe suche i mokre. Zwykle turbinę odzyskową stosuje się do napędu generatora elektrycznego. Chemiczna energia odpadowa Gazy odlotowe z procesów technologicznych zawierające składniki palne mogą mieć wartość opałową od 30 250 MJ/kmol. Gazy odlotowe o wartości opałowej powyżej 120 MJ/kmol są wartościowym samodzielnym paliwem. Przy Wd = 60 120 MJ/kmol praktyczne zastosowanie palnych gazów odlotowych wymaga wzbogacenia paliwem bogatym lub zastosowania powietrza podgrzanego , bądź wzbogaconego w tlen. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Entalpia fizyczna stałych i ciekłych produktów Wykorzystanie entalpii fizycznej produktów stałych i ciekłych o wysokiej temperaturze nie jest jeszcze w Polsce upowszechnione. Wykorzystanie zasadniczej części entalpii żużli przebiega w fazie stałej. Pewną część ich entalpii fizycznej można wykorzystać z żużli ciekłych na drodze promieniowania. Entalpia fizyczna gorącego spieku może być wykorzystana poprzez zagospodarowanie entalpii fizycznej powietrza używanego do chłodzenia spieku. W przypadku procesu koksowniczego źródło energii odpadowej stanowi entalpia fizyczna koksu. Tradycyjną metodę gaszenia koksu za pomocą wody można zastąpić instalacją suchego gaszenia koksu , którą można połączyć z procesem wstępnego podgrzewania węgla wsadowego. Duże możliwości wykorzystania entalpii fizycznej produktów technologicznych dla podgrzewania powietrza spalania występują w instalacjach przemysłu materiałów budowlanych oraz w procesach chłodzenia końcowego i międzyoperacyjnego produktów walcowni hutniczych. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Niskotemperaturowa energia odpadowa Do zasobów niskotemperaturowej energii odpadowej zalicza się ciecze o temperaturze do 150°C i gazy o temperaturze poniżej 250 300°C. Parametry niskotemperaturowego nośnika energii odpadowej można podwyższyć stosując pompy grzejne, o ile będzie to przedsięwzięcie opłacalne. Najbardziej efektywnym sposobem zagospodarowania niskotemperaturowej energii odpadowej jest bezpośrednie podgrzewanie innych czynników: powietrza spalania, wody zasilającej, wody z sieci ciepłowniczej lub ciepłej wody użytkowej. Te inwestycje charakteryzują się najkrótszymi czasami zwrotu. Przy wyższych temperaturach (do 350°C) bierze się pod uwagę zastosowanie niskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rankine'a do produkcji energii elektrycznej. Dotychczas jednak czasy zwrotu tych rozwiązań nie były zachęcające. W niektórych procesach technologicznych uzyskuje się opary o niskich parametrach termicznych. Opary takie można przystosować do wykorzystania przez sprężanie za pomocą strumienic lub sprężarek wirnikowych. ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011

Andrzej Ziębik – System energetyczny i jego podsystemy

Podstawowe materiały źródłowe 1. Ziębik A.: Systemy energetyczne. Wyd. Politechniki Śląskiej. Gliwice 1991. 2. Szargut J., Ziębik A.: Podstawy energetyki cieplnej. PWN Warszawa 2000. 3. Szargut J., Ziębik A.: Skojarzone wytwarzanie ciepła i elektryczności. Elektrociepłownie. PAN Oddział w Katowicach 2007. 4. Polityka energetyczna Polski do 2030 roku. Ministerstwo Gospodarki. Listopad 2009. 5. Zarys stanu i perspektywy energetyki polskiej. Studium AGH. Wyd. AGH Kraków 2009.

ENERGETYKA – PODSTAWY WIEDZY, Warszawa 12 13 marca 2011