Straipsnis Šilumos akumuliacinės talpos parinkimo ekonominis vertinimas, esant skirtingai mažos galios kogeneracinės jėgainės veikimo strategijai

  • Bibliografinis aprašas: Giedrė Streckienė, Vytautas Martinaitis, Giedrius Šiupšinskas, „Šilumos akumuliacinės talpos parinkimo ekonominis vertinimas, esant skirtingai mažos galios kogeneracinės jėgainės veikimo strategijai“, @eitis (lt), 2016, t. 745, ISSN 2424-421X.
  • Ankstesnis leidimas: Giedrė Streckienė, Vytautas Martinaitis, Giedrius Šiupšinskas, „Šilumos akumuliacinės talpos parinkimo ekonominis vertinimas, esant skirtingai mažos galios kogeneracinės jėgainės veikimo strategijai“, Energetika, 2011, t. 57, nr. 1, p. 1–10, ISSN 0235-7208.
  • Institucinė prieskyra: Vilniaus Gedimino technikos universiteto Pastatų energetikos katedra.

Santrauka. Straipsnyje nagrinėjamas šilumos akumuliacinės talpos veikimas ir jos dydžio ekonominis parinkimas mažos galios kogeneracinėje jėgainėje, esant įvairiems elektros tarifų variantams. Naudojant imitacinį jėgainių modeliavimo įrankį energyPRO, analizuojami skirtingų akumuliacinių talpų veikimo režimai. Atlikta analizė parodo, kad talpos dydis ir veikimas gerokai priklauso nuo vartotojo elektros ir buitinio karšto vandens poreikių bei jėgainės veikimo strategijos, kuriai įtaką turi ekonominės sąlygos.

Pagrindiniai žodžiai: kogeneracija, šilumos akumuliacinė talpa, veikimo režimas, elektros tarifas, grynoji dabartinė vertė.

 

Įvadas

Ekonominės, ekologinės ir energijos tiekimo patikimumo bei saugumo problemos, susijusios su energijos gamyba, verčia ieškoti būdų kaip efektyviau panaudoti pirminę kuro energiją. Vienai pažangiausių energijos gamybos technologijų galima priskirti kogeneraciją, t. y. vienalaikę gamybą, kai to paties proceso metu gaminama šiluma ir elektros arba mechaninė energija. Šitaip pagamintai elektrai ir šilumai sunaudojama 20–30 % mažiau kuro negu jėgainėse, kurios gamina šias energijos rūšis atskirai Žr. Henrik Lund, Anders N. Andersen, “Optimal Design of Small CHP Plants in a Market with Fluctuating Electricity Prices,” 2005. .

Didelės galios kogeneracinės jėgainės Lietuvoje naudojamos centralizuoto šilumos tiekimo įmonėse. Tuo tarpu mažos galios kogeneracinės jėgainės (iki 1 MWe) gali būti panaudotos pastatų kompleksuose, visuomeniniuose ir pramoniniuose pastatuose. Energijos gamybos potencialas, naudojant kogeneraciją tiek Lietuvoje, tiek daugumoje ES valstybių, yra nepanaudotas Žr. Gerardas Žukauskas, Feliksas Zinevičius, „Mažos galios kogeneracinės jėgainės Lietuvoje“, 2007. .

 

Pastaraisiais metais padėtis Lietuvos elektros energetikos sektoriuje gerokai pasikeitė – buvo uždaryta Ignalinos atominė elektrinė, pradėjo formuotis ir Skandinavijos elektros biržos „Nord Pool Spot“ principais veikti Lietuvos elektros birža, o ateities planuose numatytas Baltijos ir Šiaurės šalių elektros rinkų susijungimas. Laisvosios elektros rinkos sąlygomis kogeneracinės jėgainės operatorius turi parduoti elektrą tada, kai jos kaina aukšta, ir kartu užtikrinti visą reikalingą šilumos poreikį. Šiuo atveju jėgainės operatorius turi priimti sprendimus, esant tam tikrai nežinomybei, nes elektros kaina elektros biržoje nuolat kinta. Elektros kaina laisvojoje rinkoje veikiama kuro kainų pokyčių, vartotojų elektros poreikių, elektros gamybos kitose jėgainėse, atsinaujinančiųjų energijos išteklių indėlio į elektros gamybą ir kt. Pavyzdžiui, Danijoje augant vėjo jėgainėse pagamintos elektros kiekiui, elektros kaina rinkoje mažėja. Gebėjimas pasinaudoti kiekvieną valandą kintančiomis elektros pardavimo kainomis gali būti pasiekiamas, pasirenkant kogeneratorių kiekį ir galią, taip pat šilumos akumuliavimo įrenginius, suteikiančius gamybos įrenginiams lankstumo jėgainėje Žr. Henrik Lund, Anders N. Andersen, “Optimal Design of Small CHP Plants in a Market with Fluctuating Electricity Prices,” 2005; Morten Boje Blarke, Henrik Lund, “The Effectiveness of Storage and Relocation Options in Renewable Energy Systems,” 2008. .

Parenkant mažos galios kogeneracinę jėgainę, svarbus vaidmuo tenka vartotojo poreikiams, kurie paprastai smarkiai kinta per savaitę, parą ar net valandą, tuo tarpu greitai ir labai keisti šilumos gamybos agregato galią ne visada įmanoma ir dažnai neefektyvu. Mažos galios kogeneracinės jėgainės, užtikrinančios skirtingus ir kintančius vartotojo poreikius laike, optimizavimo galimybė – šilumos akumuliacinės talpos, kurios dydžio nustatymas yra svarbus uždavinys planuojant visos sistemos veiklą, įrengimas. Šiame darbe analizuojama problema – kogeneracinės jėgainės šilumos akumuliacinės talpos parinkimas, būdinga ne tik Lietuvai, bet ir kitose ES šalyse, siekiant padidinti kogeneracinių technologijų panaudojimą ir kartu energijos gamybos efektyvumą. Darbo tikslas – parodyti mažos galios (iki 1 MWe) kogeneracinės jėgainės su akumuliacine talpa veikimo galimybes, esant skirtingoms sistemos veikimo strategijoms ir elektros tarifams, bei išanalizuoti akumuliacinės talpos įkrovimo ir iškrovimo būdingus režimus.

 

Šilumos akumuliacinės talpos dydžio nustatymo mažos galios kogeneracinėje jėgainėje metodika

Šilumos akumuliacinės talpos dydžiui nustatyti ir veikimo režimų tyrimui mažos galios kogeneracinėje jėgainėje taikomas atvejo studijos metodas, leidžiantis nagrinėti realias situacijas ir problemas, kartu pasinaudojant ankstesniųjų tyrėjų patirtimi. Atvejo studija plačiai naudojama nagrinėjant įvairius technologinius sprendimus ir modelius konkrečiomis sąlygomis, pvz., tam tikrame regione Žr. Aikaterini Fragaki, Anders N. Andersen, David Toke, “Exploration of Economical Sizing of Gas Engine ant Thermal Store for Combined Heat and Power Plants in the UK,” 2008; Enrico Fabrizio, Vincenzo Corrado, Marco Filippi, “A Model to Design and Optimize Multi-energy Systems in Buildings at the Design Concept Stage,” 2010. . Šio metodo įgyvendinimas nustatant talpos tūrį susideda iš kelių pagrindinių etapų, pateiktų 1 lentelėje Žr. Susan K. Soy, “The Case Study as a Research Method,” 1997; Khairul Baharein Mohd Noor, “Case Study: A Strategic Research Methodology,” 2008. .

1 lentelė. Atvejo studijos metodo pagrindiniai etapai
Nr.Atliekami veiksmai
Metodikos etapasTalpos tūrio paieška kogeneracinėje jėgainėje
1.Nustatyti ir apibrėžti tyrimo klausimusAtlikus šios srities apžvalgą suformuluojami aktualūs klausimai:
1.
Kokie susiformuoja būdingi talpos veikimo režimai? Koks jų pobūdis ir kaita?
2.
Kokią įtaką turi talpos dydis šio įrenginio ir visos kogeneracinės jėgainės veikimui?
3.
Kokie pagrindiniai rodikliai lemia talpos dydį?
2.Išsirinkti atvejus, nustatyti pageidaujamus duomenis ir analizės būdusIšrenkami atvejai, apibūdinantys vartotojo tipą, kogeneracinės jėgainės struktūrą
ir veikimo sąlygas

Parenkami vertinimo kriterijai
3.Pasiruošti surinkti duomenisSudaromas skaičiavimo algoritmas ir aprašomos prielaidos
4.Surinkti duomenis toje srityjeRezultatų generavimas imitaciniu modeliu energyPRO Žr. EMD International A/S, energyPRO.
5.Įvertinti ir analizuoti rezultatusRezultatų analizė ir įvertinimas
6.Parengti ataskaitąFormuluojamos priklausomybės ir išvados
 

Nustačius vartotoją, jo energijos poreikius, jų kitimą ir kogeneracinės jėgainės veikimo strategiją, t. y. kuriuo laiku veiks atitinkami energijos gamybos įrenginiai, galima apskaičiuoti šilumos, kurią galės sukaupti šilumos akumuliatorius, kiekį. Didžiausio akumuliuojamos šilumos kiekio Qmax (kWh) išraiška šitokia Žr. Vytautas Martinaitis, Giedrius Šiupšinskas, Bronislavas Narbutis, „Nedidelės galios kogeneracinių jėgainių šilumos akumuliatorių dydžių paieška“, 2004. :

\[ Q_{\max}=\left(\sum_{i=1}^{\tau}Q_{i.p}-\sum_{i=1}^{\tau}Q_{i.d}\right)\rightarrow\max.\tag{1} \]

Atitinkamai momentinis šilumos, kurią galima akumuliuoti, perteklius išreiškiamas Žr. Wojciech Kostowski, Janusz Skorek, “Thermodynamic and Economic Analysis of Heat Storage Application in Co-generation Systems,” 2005. :

\[ \dot{Q}^{+}=
\begin{align}\left\{\begin{array}{ll}\dot{Q}_{p}-\dot{Q}_{d},\!\!\! & \textrm{kai}\ \dot{Q}_{p}>\dot{Q}_{d}\\
0, & \textrm{kitu atveju}\end{array}\right.\\
\end{align}.\tag{2} \]

Dydžiai su viršuje esančiu tašku žymi šilumos srautą arba galią (W).

Momentinis šilumos trūkumas:

\[ \dot{Q}^{-}=
\begin{align}\left\{\begin{array}{ll}\dot{Q}_{d}-\dot{Q}_{p},\!\!\! & \textrm{kai}\ \dot{Q}_{p}<\dot{Q}_{d}\\
0, & \textrm{kitu atveju}\end{array}\right.\\
\end{align}.\tag{3} \]
 

Šilumos akumuliacinės talpos įkrovimo laikotarpiu \( (\dot{Q}^{+}>0) \) ateinantis pastovios temperatūros vanduo tiekiamas į viršutinę talpos dalį, tiek pat vėsesnio vandens paimama iš talpos apatinės dalies. Atsižvelgus į tai, kiek akumuliuojama šilumos, aukštesnės temperatūros vanduo užpildo visą talpą arba jos dalį. Didžiausia talpos šilumos galia ribojama jos tūrio. Priešingas procesas vyksta, esant iškrovimui, kai vartotojui trūksta šilumos \( (\dot{Q}^{-}>0) \).

Ieškant optimalaus akumuliacinės talpos tūrio, reikia nustatyti pagrindinius vertinimo kriterijus, pvz., optimalų ekonominį talpos tūrį, kuriam esant tam tikras ekonominis kriterijus (grynoji dabartinė vertė – GDV, gamintojo pajamos, paprastas atsipirkimo laikas – PAL ir pan.) didžiausias ar mažiausias. Jei ekonominis kriterijus – GDV, talpos tūrį galima išreikšti:

\[ V=V_{opt,e}\Leftrightarrow\Delta GDV\rightarrow\max;\tag{4} \] čia \( \Delta GDV\rightarrow \) nusako GDV padidėjimą dėl talpos įrengimo jėgainėje.

Galima pasirinkti režiminį optimizacijos kriterijų, pvz., mažiausias įrenginių įsijungimo skaičius, trumpiausias katilo veikimo laikas, minimalus šilumos, pagamintos katile, kiekis ir kt. Šiuo atveju talpos tūris išreiškiamas:

\[ V=V_{opt,t}\Leftrightarrow N_{i}\rightarrow\min;\tag{5} \] čia Nii įrenginių įsijungimų skaičius per pasirinktą laikotarpį.

Atitinkamu būdu išreiškiami ir kiti optimumo kriterijai. Keletas kriterijų gali būti vertinami daugiakriteriškai Žr. Laura Tupenaitė, Edmundas Kazimieras Zavadskas, Artūras Kaklauskas, Zenonas Turskis, Mark Seniut, “Multiple Criteria Assessment of Alternatives for Built and Human Environment Renovation,” 2010. .

 

Temperatūros pasiskirstymo susiformavimo talpoje optimizacijos kriterijumi gali būti pasirinktas vidutinis įkrovimo ar iškrovimo procesų stratifikacijos skaičius (Str) arba MIX skaičius Žr. Albert Castell, Marc Medrano, Cristian Solé, Luisa F. Cabeza, “Dimensionless Numbers Used to Characterize Stratification in Water Tanks for Discharging at Low Flow Rates,” 2010; Yanmin Han, Ruzhu Wang, Yanjun Dai, “Thermal Stratification within the Water Tank,” 2009. . Abu šie kriterijai padeda įvertinti šiluminę talpos stratifikaciją, kuri kiekvienu atveju pageidaujama, nes leidžia išlaikyti aukštesnę temperatūrą talpoje, o tai padidina akumuliavimo proceso šilumos atgavimo efektyvumą.

Atvejo studijos duomenys

Analizei pasirinktas gyvenamojo sektoriaus vartotojų poreikių kitimo pobūdis, nes būtent šis sektorius suvartoja daug galutinės energijos šalyje. 2009 m. Lietuvos namų ūkiui teko apie 32,6 % visos galutinai suvartotos šalies elektros ir net 58,4 % visos galutinai sunaudotos šilumos Žr. VĮ Energetikos agentūra. . Tolesniam nagrinėjimui pasirenkamas vartotojas, kuris atspindėtų daugiabučio namo ar kelių tokių namų energijos poreikius. Tokio vartotojo tipinis elektros ir šilumos galios poreikių grafikas, sudarytas remiantis namų ūkio elektros ir šilumos galios poreikio kreivėmis, pateiktomis kitų tyrėjų darbuose, pavaizduotas 1 pav. Žr. Andrew S. Peacock, Marcus Newborough, “Controlling Micro-CHP Systems to Modulate Electrical Load Profiles,” 2007; Joakim Wiedén, Magdalena Lundh, Iana Vassileva, Erik Dahlquist, Kajsa Ellegård, Ewa Wäckelgård, “Constructing Load Profiles for Household Electricity and Hot Water from Time-use Data – Modelling Approach and Validation,” 2009. Šiame grafike parodyti elektros ir karšto vandens poreikių pikai laike sutampa, tačiau kiekvienu nagrinėjamu atveju skiriasi elektros ir karšto vandens galios poreikiai. Analizei pasirinkti sustambinti metiniai hipotetinio vartotojo poreikiai:

  • elektra: 500–5 000 MWh;
  • šiluma patalpų šildymui ir vėdinimui: 1 200–11 000 MWh;
  • šiluma buitinio karšto vandens ruošimui: 300–3 500 MWh.
 
1 pav. Vartotojo poreikių kitimo apibūdinimas

Darbe naudojamas imitacinis modelis energyPRO, kuris pagal nurodytas priklausomybes išskaido vartotojo elektros ir šilumos poreikius kiekvienai parai visiems metams. Tyrime priimama, kad baziniu (pirminiu) atveju vartotojas jau turi įsirengęs vietinę katilinę, kuri užtikrina visus jo šilumos poreikius. Siekdamas pažangesnės ir efektyvesnės technologijos panaudojimo, jis sprendžia nedidelės kogeneracinės jėgainės, kuri papildomai užtikrintų dalį vartotojo elektros poreikių, įrengimo galimybę. Šioje mažos galios kogeneracinėje jėgainėje būtų įrengti du pagrindiniai įrenginiai: kogeneratorius ir šilumos akumuliacinė talpa bei visa reikalinga papildoma įranga. Visi tolesni skaičiavimo atvejai lyginami su baziniu atveju.

 

Skaičiavimo algoritmas ir pagrindinės prielaidos

Svarbiausi kogeneracinę jėgainę sudarantys įrenginiai: kogeneratorius, šilumos akumuliatorius ir papildomi katilai. Vidaus degimo varikliai – viena labiausiai paplitusių technologijų, naudojamų mažos galios, t. y. iki 1 MWe, dujomis kūrenamose kogeneracinėse jėgainėse, todėl tolesnei analizei pasirenkama ši technologija. Skaičiavimuose priimama, kad kogeneratorius veiks tik nominalia galia, t. y. visa apkrova. Dalinė apkrova nėra būtina, nes sistemoje perteklinė šiluma tiekiama į šilumos akumuliacinę talpą, be to, tokia apkrova šioje analizėje vengiama dėl kogeneratoriaus mažesnio energinio efektyvumo. Atsižvelgiant į tai, kad šilumos akumuliatoriaus patrauklumas pirmiausia vertinamas ekonominiu požiūriu, pateikiamas nesudėtingas akumuliacinės talpos ekonomiškai optimalaus tūrio parinkimo algoritmas, pavaizduotas 2 pav. Žr. Giedrė Streckienė, Vytautas Martinaitis, Anders N. Andersen, Jonas Katz, “Feasibility of CHP-plants with Thermal Stores in the German Spot Market,” 2009.

2 pav. Optimalaus talpos tūrio ekonominis radimas
 

Planuojant naują kogeneracinę jėgainę, kartu optimizuojama kogeneratoriaus galia ir akumuliacinės talpos tūris. Ekonominei optimizacijai atlikti pasirinkti du kriterijai: GDV – pagrindinis ir PAL. Atvejo studijos ir ekonominių skaičiavimų pagrindinės prielaidos pateiktos 2 lentelėje Žr. Anders N. Andersen, Description of Markets, Optimising Tools and Cost-effective IT Solutions for the Balancing System, 2007; National Greenhouse Gas Emission Inventory Report 2008 of the Republic of Lithuania, Annual report under the UN Framework Convention on Climate Change; LR ūkio ministro įsakymas nr. 4–301, Šilumos vartotojų įrenginių atjungimo nuo šilumos tiekimo sistemų ekonominio įvertinimo metodika, 2003. .

2 lentelė. Skaičiavimo prielaidos
GDV ir PAL skaičiavimo prielaidosSistemos veikimo ekonominės prielaidosTechnologinės prielaidos
Reali diskonto norma: 4,0 %Eksploatavimo išlaidos

Kogeneratoriaus aptarnavimas: 27,62 Lt/MWhe

Kogeneratoriaus paleidimas: 27,62 Lt/startas 1 MWe

Katilo aptarnavimas – 3,45 Lt/MWh pagamintos šilumos
Kogeneratorius

Šiluminis efektyvumas: 47,0 %
Elektrinis efektyvumas: 40,0 %
CO2 – 242 kg/MWh kuro,
NOx – 0,160 kg/GJ kuro
Investicijos

Kogeneratorius: 2,3 mln. Lt/MWe

Akumuliacinė talpa: 925 Lt/m3

Investicijų ilgaamžiškumas: 20 metų
Katilas

Efektyvumas: 90,9 %
SO2 – 0,0003 kg/GJ (kuro),
NOx – 0,160 kg/GJ (kuro),
CO2 – 242 kg/MWh (kuro)
Mokesčiai už aplinkos taršą:

CO2 – 35 Lt/t
SO2 – 4324 Lt/t
NOx – 1875 Lt/t
Kuras: gamtinės dujos, šiluminė vertė – 9,3 kWh/m3
Parduodamos elektros kaina – 200 Lt/MWhŠilumos akumuliacinė talpa

Temperatūrų skirtumas: 45 ºC
Naudojimas: 90,0 %
Gamtinių dujų, elektros ir šilumos kainos įvertintos, remiantis 2010 m. vasario–birželio kainodara ir teisine baze, galiojančia Lietuvoje. Vertinant kogeneratoriaus kainą nėra atsižvelgiama į jo galią, t. y. santykinė galios kaina yra vienoda. Skaičiavimuose priimama, kad vartotojas pagamintą elektrą pirmiausia vartoja savo reikmėms, o jos perteklių gali parduoti.
 

Šilumos akumuliacinė talpa

Šilumos akumuliavimo technologijos siejamos su trimis galimais kaupimo būdais: savitosios šilumos akumuliavimas, slaptosios šilumos akumuliavimas ir termocheminės energijos akumuliavimas. Praktikoje labiausiai paplitęs ir ekonomiškai pigiausias yra šilumos akumuliavimas dėl temperatūrų skirtumo, t. y. savitosios šilumos akumuliavimas Žr. Marc A. Rosen, Ibrahim Dincer, “Exergy Methods for Assessing and Comparing Thermal Storage Systems,” 2003; ASHRAE Handbook-HVAC Applications, 2007. . Stratifikuotos šilumos akumuliacinės talpos – viena plačiausiai naudojamų technologijų, skirtų savitosios šilumos akumuliavimo tikslams Žr. Yanmin Han, Ruzhu Wang, Yanjun Dai, “Thermal Stratification within the Water Tank,” 2009. . Šiuo būdu kaupiama energija, šildant m masės medžiagos kiekį nuo temperatūros T0 iki temperatūros T1, esant pastoviam slėgiui, apskaičiuojama pagal formulę Žr. Bent Sorensen, Renewable Energy: Its Physics, Engineering, Use, Environmental Impacts, Economy and Planning Aspects, 2004. :

\[ E=m\int_{T_{0}}^{T}\mathrm{c}_{p}dT.\tag{6} \]

Stratifikuotos akumuliacinės talpos paprastai skirtos trumpalaikiam šilumos kaupimui ir leidžia išlyginti šilumos poreikio netolygumą per parą ar kelias paras. Šiose talpose veikiant gravitacijos ir plūdrumo jėgoms, skirtingos temperatūros vanduo talpoje pasiskirsto pagal jos aukštį. Karštesnis vanduo, turintis mažesnį tankį, užima viršutinę dalį, o didesnio tankio šaltesnis vanduo – apatinę dalį. Taigi karštas ir šaltas vanduo talpoje išsisluoksniuoja į du sluoksnius, tarp kurių atsiranda temperatūrų „laiptas“, ir susiformuoja pereinamosios temperatūros sritis, kurioje temperatūros pokyčiai didžiausi. Siekiama, kad ši pereinamoji sritis būtų kuo plonesnė. Praktikoje dėl šiluminės stratifikacijos nuvertėjimo paprastai akumuliavimui panaudojama apie 90 % apskaičiuoto talpos tūrio Žr. Ignas Šateikis, „Šilumos akumuliavimas šildymo sistemų vandens rezervuaruose“, 2000; Ibrahim Dincer, Marc A. Rosen, Thermal Energy Storage: Systems and Applications, 2002. .

 

Šilumos akumuliacinių talpų įtaka kogeneratoriaus veiklai labiausiai matyti šiltuoju metų laiku, pasibaigus šildymo sezonui. Šiuo metu kogeneratoriaus veikimą sąlygoja ne tik elektros, bet ir buitinio karšto vandens poreikis, labai kintantis per parą. Tokioje sistemoje esanti akumuliacinė talpa išlygina šilumos poreikio netolygumą, leidžia veikti kogeneratoriui nominalia galia ir prailgina jo veikimą. Nešildymo sezonas analizėje detaliau nagrinėjamas, nes tai aktyviausias šilumos akumuliacinės talpos veikimo laikotarpis.

Rezultatai ir jų aptarimas

Šioje dalyje išnagrinėtos kogeneracinės jėgainės su šilumos akumuliacine talpa veikimo strategijos, kai kogeneratorius turi veikimo prioritetą visą laiką, dalį paros, yra galimybė parduoti elektrą ir nėra šios galimybės. Veikimo prioritetas apibūdina įrenginio veikimo pirmenybę, palyginti kitais gamybos įrenginiais tam tikru laiku. Kiekvienu atveju analizuotas ekonomiškai optimalios kogeneracinės jėgainės konfigūracijos (kogeneratoriaus galios ir talpos tūrio) parinkimas ir skirtingų akumuliacinių talpų veikimo režimai. Darbe nagrinėjami keli šilumos ir elektros poreikių išsidėstymai, kai elektros ir šilumos poreikio pikai sutampa laike ir kai nesutampa. Taip pat pateikiamas mažos galios dujinės kogeneracinės jėgainės įvertinimas realaus laiko rinkos sąlygomis.

 

Kogeneratorius turi veikimo prioritetą visą laiką

Nagrinėjant kogeneracinės jėgainės veikimo strategiją, kai kogeneratorius turi veikimo prioritetą visą laiką ir yra galimybė parduoti perteklinę elektrą, gauta, kad vartotojui, kurio metiniai poreikiai: elektra – 2 000 MWh, karštas vanduo – 1 800 MWh, šildymas – 5 500 MWh, ekonomiškai patraukliausia įrengti 320 kWe jėgainę, kuri užtikrintų maksimalius jo elektros galios poreikius. Šiai kogeneracinei jėgainei parenkant akumuliacinę talpą, gauta, kad gali būti pasirenkami keli optimalūs sprendiniai su skirtingo tūrio talpomis (3 pav.).

3 pav. 320 kWe kogeneracinės jėgainės GDV ir PAL priklausomumas nuo talpos tūrio

Pirmasis optimalus sprendinys gaunamas su 17 m3 talpa, antrasis – 35 m3. Pirmuoju atveju veikiant jėgainei nešildymo sezonu, kogeneratorius per parą įjungiamas ir išjungiamas 2 kartus, t. y. kogeneratorius veikia tik per poreikių pikus, antruoju – kogeneratorius veikia ne tik per poreikių pikus, bet ir tarp jų, todėl per parą jis įjungiamas ir išjungiamas vieną kartą. Atsižvelgiant į tai, kad tolygus sistemos veikimas siektinas, geriau rinktis 35 m3 akumuliacinę talpą, nors GDV būtų nedaug mažesnė (12 tūkst. Lt, arba 0,32 %).

 

Analizuojant įvairaus dydžio talpų veikimą 320 kWe kogeneracinėje jėgainėje nešildymo sezonu, kuris parodytas 4 pav., gauta, kad talpa, kurios tūris nedidelis, pvz., 5 m3 ir 15 m3, dažnai įsikrauna ir išsikrauna per parą, o tai trikdo kogeneratoriaus, kuris turi būti papildomai sustabdomas ir vėl paleidžiamas, veikimą.

4 pav. Kelių vasaros parų akumuliacinių talpų veikimas 320 kWe kogeneracinėje jėgainėje

Tuo tarpu per didelio tūrio talpa gali perkelti kogeneratoriaus gamybą laike, jei kogeneracinės jėgainės veikimo strategijoje numatyta, kad kogeneratorius veikia iki to laiko, kol talpa įsikrauna, ir neveikia tais laikotarpiais, kai akumuliacinė talpa užtikrina vartotojo visus karšto vandens poreikius. Šitaip ne visada pasiekiamas didžiausias ekonominis efektas, didinant akumuliacinės talpos tūrį. Nagrinėjant kiekvienos akumuliacinės talpos veikimą atskirai bei lyginant įkrovimo ir iškrovimo kreives su maksimalia šilumine talpos galia, gauta, kad įkrovimo ir iškrovimo procesų kreivės staigiai kyla ir leidžiasi, kai talpos tūris per mažas. Didinant talpos tūrį, procesų kreivės plokštėja. Iš to seka, kad akumuliacinė talpa tolygiau įkraunama, nes patiriami mažesni šiluminės stratifikacijos nuostoliai. Visos talpos įkraunamos ir iškraunamos vienodu masės srautu, tačiau mažesnio tūrio talpose, norint gauti tą patį pratekančios masės srautą, vandens greitis didinamas, o tai sukelia didesnius šilumos nuostolius.

 

Nagrinėto vartotojo pavyzdžiu gauta, kad optimalus talpos tūris turi antrojo laipsnio polinominį priklausomumą nuo kogeneratoriaus galios, kuri pavaizduota 5 pav. Šis priklausomumas išreiškia talpos dydį, kai kogeneratorius paleidžiamas ir sustabdomas per parą vieną kartą.

5 pav. Talpos tūrio priklausomumas nuo kogeneratoriaus galios, kai kogeneratorius turi veikimo prioritetą visą laiką
 

Kai kogeneratoriaus galia toliau didinama (>320 kWe), sistemos GDV mažėja (3 lentelė). Lentelėje pateikti skirtingų kogeneratoriaus galių su optimaliais talpų tūriais technologiniai ir ekonominiai rodikliai, esant skirtingiems elektros tarifams.

3 lentelė. Įvairių kogeneracinės jėgainės konfigūracijų su optimalaus tūrio talpa ekonominiai ir technologiniai rodikliai Čia 1LZ – vienos laiko zonos tarifas, 2LZ – dviejų laiko zonų tarifas, DIF – diferencijuotas pagal laiko intervalus tarifas. Deriniai su žvaigždutėmis rodo ekonominius rodiklius, jei optimaliu sprendimu būtų pasirinkta tokia technologinė situacija, kai talpos tūris per parą vieną kartą įsikrauna ir vieną kartą išsikrauna.
Kogen. galia kWeTalpos tūris m3Investicijos mln. LtElektros gamyba Mwh/metusElektros pirkimas Mwh/metusKogen. startai Sk./metusGDV mln. Lt
1LZ2LZDIF
13070,3071098,3901,822,80892,39532,9015
190110,4491545,3620,11673,45083,06953,6677
250190,5961814,5512,51693,60333,34063,972
320170,7562124,9401,13373,73023,45584,2147
*320350,7732126,3406,61693,71823,47374,2125
400210,9452479,0437,63403,42093,17393,9301
*400520,9732481,5523,41713,17222,92813,5173

Analizės metu papildomai buvo atlikti skaičiavimai įvairiems vartotojo elektros, karšto vandens ir šilumos poreikiams. Visais atvejais buvo gauta, kad ekonomiškai naudingiausia įrengti kogeneratorių, kurio galia padeda užtikrinti maksimalius vartotojo elektros galios poreikius, kaip ir pateikto pavyzdžio atveju. Be to, nustatyta, kad vartotojų, kurių karšto vandens ir elektros poreikių santykiai didžiausi, įrengtos kogeneracinės jėgainės atsipirktų greičiausiai, nes šiuose variantuose santykinai pagaminama daugiausia elektros, palyginti su visu vartotojo elektros poreikiu.

 

Atskirai nagrinėjant elektros ir karšto vandens poreikių pikų nesutapimą laike, gauta, kad reikiamas akumuliacinės talpos tūris padidėjo, kai elektros poreikio pikas įvyko vėliau negu karšto vandens poreikio pikas. Tuo tarpu elektros poreikio pikui įvykus anksčiau, sumažėja sistemos GDV ir pailgėja PAL, nes pagaminama mažiau elektros. Nesutampant poreikiams, talpos įsikrovimo ir išsikrovimo kreivės papildomai išsiskaido į dalis, t. y. prasidėjus elektros poreikio pikui, įkrovimo ir iškrovimo kreivės tampa gerokai statesnės.

Kai kogeneracinės jėgainės veikimo strategijoje nenumatoma galimybės parduoti elektrą, tai kogeneratorius veikia tik esant jo galiai, mažesnei už vartotojo galios poreikį ar lygiai vartotojo galios poreikiui. Šiuo atveju gauta, kad elektros tarifo struktūra turi didelę įtaką kogeneracinės jėgainės konfigūracijai. Pavyzdžiu pateikiamas vartotojas, kurio metiniai poreikiai yra: elektra – 2 660 MWh, karštas vanduo – 1 800 MWh ir patalpų šildymas – 7 300 MWh. Šiam vartotojui ekonomiškai optimalaus kogeneratoriaus galios ir talpos tūrio veikimas nešildymo sezonu, esant skirtingiems elektros tarifams, pavaizduotas 6 pav.

6 pav. Kogeneracinės jėgainės veikimas vasarą, esant skirtingai jos konfigūracijai, kai elektra naudojama tik savo poreikiams. 1 grafikas: 170 kWe su 16 m3, 2 grafikas: 260 kWe su 16 m3, 3 grafikas: 430 kWe su 27 m3
 
Aukštutinėje šio paveikslo grafikų dalyje pateikta, kurie gamybos įrenginiai veikia ir aprūpina vartotoją šiluma, vidurinėje – elektros gamybą, o apatinėje – akumuliacinės talpos veikimą. 6 pav. pavyzdžiu gauta, kad vienos laiko zonos tarifo atveju vartotojui naudingiausia įrengti kogeneracinę jėgainę, kuri užtikrintų tik mažiausius elektros galios poreikius. Pastaruoju atveju kogeneratorius veikia visą laiką ir yra sustabdomas tik metinių apžiūrų laikotarpiais. Dviejų laiko zonų tarifo atveju gauta, kad ekonomiškai naudingiausia įrengti kogeneracinę jėgainę, kuri tiektų elektrą per poreikių pikus ir tarp jų. Jei vartotojui atsirastų galimybė naudotis diferencijuotais pagal laiko intervalus tarifais, tai naudingiausia įrengti maksimalaus elektros galios poreikio kogeneratorių, kuris veiktų tik per poreikių pikus. Pateiktas pavyzdys rodo, kad pasirinkus skirtingus elektros tarifus, gaunami skirtingi optimalūs sprendiniai. Palyginus atvejus, kai yra galimybė parduoti elektrą ir jos nėra, nustatyta didesnės GDV ir trumpesni PAL, kai galima parduoti elektrą.

Kogeneratorius turi veikimo prioritetą tik dalį paros

Šiame scenarijuje jėgainės veikimo strategijoje numatoma: kai vartotojas moka už elektrą pagal dviejų laiko zonų tarifą, kogeneratorius turi veikimo prioritetą tik dieninio tarifo metu, o kai yra galimybė naudotis diferencijuotu pagal laiko intervalus tarifu – maksimalių ir vidutinių apkrovų laikotarpiais. Vartotojui, kurio metiniai poreikiai: elektra – 2 000 MWh, karštas vanduo – 1 800 MWh, šildymas – 5 500 MWh, gauta, kad didžiausia sistemos GDV pasiekiama, kai įrengiamas 320 kWe kogeneratorius su 65 m3 akumuliacine talpa. Parenkant įvairios konfigūracijos optimalias sistemas, kai yra galimybė parduoti elektrą, gauta, kad talpos tūrio didėjimas nuo kogeneratoriaus galios labiausiai atitiko tiesinę priklausomybę, kurią atspindi lygtis:

\[ y=0{,}197\cdot x+2{,}1783.\tag{7} \]

Pateiktos lygties determinacijos koeficientas (R2) lygus 0,9984.

 

Nagrinėjamomis sąlygomis visais vartotojų atvejais gauta, kad ekonomiškai naudingiausia įrengti kogeneratorių, kuris padeda užtikrinti maksimalius elektros galios poreikius. Optimalios akumuliacinės talpos dydis šiomis sąlygomis skirtinguose variantuose kito 41–48 m3/1 000 MWh metinės šilumos gamybos kogeneratoriuje.

Tuo atveju, kai jėgainės veikimo strategijoje nenumatyta parduoti elektros ir kogeneratoriaus galia ribojama vartotojo elektros galios poreikio, gauta, kad optimalus talpos tūris kogeneracinėse jėgainėse kito 6–21 m3/1 000 MWh metinės šilumos gamybos kogeneratoriuje. Nagrinėto vartotojo pavyzdžiu gauta, kad ekonomiškai naudingiausia įrengti 190 kWe kogeneratorių su 5 m3 talpa, šiuo atveju gauta 1,859 mln. Lt sistemos GDV, esant dviejų laiko zonų tarifui. Įvairaus dydžio akumuliacinių talpų veikimas 190 kWe kogeneracinėje jėgainėje vieną vasaros parą parodytas 7 pav., kuriame matyti, kad 10 m3 ir 20 m3 talpų veikimas nešildymo sezonu yra artimas, todėl didinti talpos tūrį per 10 m3 netikslinga.

7 pav. Įvairaus tūrio akumuliacinių talpų veikimas 190 kWe jėgainėje, kai kogeneratorius veikia tik dalį dienos ir nėra galimybės parduoti elektrą
 
Tuo tarpu per mažo tūrio talpa (pvz., 3 m3) įkraunama dažniau per parą, o kogeneratorius turi būti papildomai sustabdomas ir įjungiamas. Talpa, kurios tūris per didelis sistemoje, nėra visiškai panaudojama nešildymo sezonu, nes neįkraunama iki jos maksimalios šiluminės galios. Atsižvelgiant į tai, kad 190 kWe kogeneracinėje jėgainėje efektyviai panaudojamas ir 10 m3 akumuliacinės talpos tūris, siūloma įrengti šią didesnę talpą. Sistemos su 10 m3 akumuliacine talpa GDV yra nežymiai mažesnė negu sistemos su 5 m3 akumuliacine talpa ir sudaro 1,854 mln. Lt, esant dviejų laiko zonų tarifui.

Įvairaus tūrio akumuliacinių talpų veikimas parodo, kad iš pradžių prasidėjus karšto vandens poreikio pikui, talpa staigiai įkraunama iki didžiausios šiluminės galios, o besitęsiant šiam pikui iškraunama, vėliau šilumos poreikiui sumažėjus, talpa vėl įkraunama, tik mažesniu greičiu. Šiuo atveju akumuliacinės talpos įkrovimas ir iškrovimas padeda prailginti kogeneratoriaus veikimo laikotarpį, be to, visas reikalingas karštas vanduo dieną tiekiamas tik iš kogeneratoriaus ir talpos.

Palyginus tarpusavyje variantus, kurie turi vienodus metinius bendrus šilumos poreikius, bet skirtingus pobūdžius, t. y. šilumos šildymui ir karštam vandeniui kiekius, nustatyta, kad didesnę GDV ir trumpesnį PAL leidžia gauti tie atvejai, kurių karšto vandens poreikiai didesni.