UDK 697.34
Racionalnost uporabe primarnih virov energije pri daljinskem
ogrevanju iz toplarn
DUŠAN POLJAK
Uvod
N am en razprave je prikazati pridobivanje in uporabo toplote na način, ki bi omogočal vredno te n je različnih m ožnosti z vidika čim boljših rešitev daljinskega ogrevanja strn jen ih naselij. N aloga je zapletena in težavna. Omogoča naj čimbolj splošno uporabo, zajam e pa čimveč različnih vplivov, k a te rih pom em bnost pa je v posam eznih prim erih lahko zelo različna. Zato je ra zp ra v a zasnovana tako, da dopušča sprem em bo upoštevanih vplivov in s tem ostaja v v eljav i tu d i ob bodočem razvoju daljinskega ogrevanja in električnega om režja, ki sta v veliki m eri odvisna od urbanistične, gospodar ske in k u ltu rn e ra sti obravnavanega območja.
Toplota naj se izkorišča ob čim racionalnejši porabi p rim arn ih virov energije p ri čim m anj šem onesnaževanju okolja. To pom eni racionalizacijo proizvodnje (transform acije), tran sp o rta in porabe vseh v rst p rim arn e in sekundarne energije. Racio nalnost na vseh področjih energijskega gospodar stv a lahko šele da pričakovane rezultate. P ri tem dobiva ekološki v idik vedno večji pom en glede na ožje in kratkoročno gospodarjenje, ki lahko izhaja iz tre n u tn ih finančnih in m aterialn ih vplivov. Zato
p ostaja širše in dolgoročnejše v rednotenje te v rste sistem ov vedno pom em bnejše.
Izhodišče za prvo oceno ogrevalnega sistem a je njegova ekonom ska sprejem ljivost v ožjem pom enu besede. Ta je nam reč izračunom dostopnejša in je lahko p rv i ko rak ozirom a osnova za n ad a ljn je v re d notenje o bravnavanih sistem ov tu d i z d ru g ih po m em bnih, ven d ar ekonom skem u raču n u m anj do stopnih vidikov (ekološkega, sociološkega itd.). Ta razp rav a opisuje p ra v ta p rv i korak, tj. tak šen p ri kaz kom binirane proizvodnje toplotne in električne energije v to p larn a h v p rim erja v i z njuno sam o stojno proizvodnjo, ki omogoča oceno sistem a z ekonom skega vidika ozirom a vidika rentabilnosti.
Prednosti izkoriščanja toplote pri kombiniranem pridobivanju električne in toplotne energije P rednosti takega ogrevanja so:
1. P roizvodnja električne energije ob h k ra tn e m izkoriščanju dela toplote za ogrevanje je tako go spodarno izkoriščanje p rim arn ih energijskih virov (goriv), kakršnega ne dosegamo p ri nobeni dan danes znani in u p o rab ljen i tran sfo rm aciji energije (slika 1).
N ačin p roizvodnje (sekundarne) en erg ije: elek tričn e ozirom a toplotne
— c e n tra ln a k u rja v a
— elek tričn i to k iz te rm o e le k tra rn e
— o grevanje z elek trik o — elek tričn i to k iz
te rm o e le k tra rn e
— d aljin sk o o grevanje — ločena
p ro izv o d n ja toplote (TC) in e le k trik e (TE)
— daljin sk o o g rev an je — k o m b in ira n a
p ro izv o d n ja toplote in elek trič n e e n e rg ije (TO)
p ro izv o d n ja elek trič n e en e rg ije
7] = 35 % 5,71 kW h
p ro izv o d n ja toplote
V = 70 %> 1,43 kW h P o ra b a
p rim a rn e en e rg ije B
p ro izv o d n ja toplote
V = 85 °/o 1,18 kW h
p ro izv o d n ja p ro izv o d n ja
elek trič n e en e rg ije
V = 35 °/o 2,86 kW h
elek trič n e en e rg ije
r/ = 35 °/o 2,86 kW h
p ro izv o d n ja elek trič n e en e rg ije
in toplote
j? = 85 % 2,35 kW h
S ku p n o kW h 4,29 5,71 4,04 2,35
Sl. 1. Poraba prim arne energije B za proizvodnjo 1 kW h toplote Q in 1 k W h električne energije E pri štirih različnih načinih proizvodnje
2. Z gorevanje v sodobno k o n stru iran ih in stro kovno streženih kuriščih z visokim izkoristkom , pom eni varčev an je z vedno bolj dragocenim i p ri m arnim i v iri energije. Zgorevalni proces v tak š nem kurišču najm an j onesnažuje okolje s pepelom in dim nim i plini.
3. S toplarnam i v veliki m eri izključujem o te h nično veliko bolj p o m anjkljiva in strokovno slabše strežena posam ezna m ajh n a kurišča, v k a te rih je zgorevanje večinom a slabo in negospodarno, k a r im a za posledico neracionalno izkoriščanje p rim a r nih energijskih virov in onesnaževanja okolja.
4. U strezno deležu p rotitlačnega pogona to p la r ne se zm anjša p oraba hlad iln e vode, k a r pom eni zm anjšanje toplotne obrem enitve re k in potokov, p ri h lajen ju s hladilnim i stolpi, pa zm anjšanje n ji hovega kvarn eg a vpliva na okolje.
Prihranek primarne energije pri kombinirani pro izvodnji nasproti ločeni proizvodnji toplotne in
električne energije
Splošnejšo p rim erjav o kom binirane z ločeno proizvodnjo električne in toplotne energije te r m e hanizem p rih ra n k a p rim arn e energije p ri kom bini ra n i proizvodnji omogoča n asled n ja bilanca [1],
V kom biniranem procesu v to p larn i proizvede mo iz p rim arn e energije Bk električno energijo E in toploto Q tako, da v elja
7]TO
p ri čem er je гјто izkoristek toplarne.
Če proizvajam o električno in toplotno energijo ločeno, in sicer toplotno v toplotni cen trali z izko ristkom 7]tc, električno pa v term o e le k trarn i z iz
koristkom rjje, porabim o za enaki količini električ ne in toplotne energije E in Q naslednjo prim arno energijo
Q
v to p lo tn i c e n t r a l i Bt c= ---ГЈТС E v term o e le k trarn i Bte =
----ГЈТЕ
P rih ran e k p rim arn e energije v kom binirani p ro izvodnji v p rim erja v i z ločeno je potem
E Q E + Q Z = Bte + Btc — Bto= ---- + --- (1)
VTE VTC »?T0
o z iro m a
K akor je razvidno iz enačbe (1 a), p rih ra n ek Z p rim arn e energije ni odvisen samo od energijskih izkoristkov postrojev, am pak tu d i od deležev p ro izvedene toplote Q in elek trik e E. Vpliv deleža p ro izvedene električne energije E na p rih ra n ek je tem večji, čim večja je razlik a izkoristkov term oelek tra rn e r/TE in to p larn e г/то te r čim m anjša je raz lika izkoristkov toplarne r)to in toplotne centrale
»?TC.
V p rim eru enakih izkoristkov ??to in г д с je p ri h ra n ek odvisen samo od deleža proizvedene elek tričn e energije E in seveda obeh izkoristkov ??te
in ??to- Poraba, s tem pa posredno p rih ra n e k p ri m arne energije za ta p rim er v odvisnosti od raz-
E m ernika a = —
Q
p ri k onstantni proizvodnji toplote Q = 1 kWh, je razvidna n a sl. 2.
S l. 2. Poraba prim arne energije B pri štirih različnih načinih proizvodnje ( iz k o r is tk i k a k o r n a s lik i 1) v odvisnosti od razm ernika o = E/Q in pri ko n sta n tn i proizvodnji toplote Q = 1 kW h
E — p ro izv e d en a e le k trič n a en erg ija, Q— p ro izv e d en a to p lo tn a en erg ija, a — E/Qk a ra k te ris tik a top larn e, en e rg ijsk i raz m ern ik , B —• p o ra b lje n a p r im a rn a en erg ija, Z — p rih ra n e k p rim a rn e energ ije
1 — E iz te rm o e le k tra rn e , Q iz h išn e c e n tra ln e k u rja v e 2 — E in Q iz te rm o e le k tra rn e
3 — E iz te rm o e le k tra rn e , Q iz to p lo tn e c e n tra le (ločena p ro izv o d n ja E in Q)
Vpliv kondenzacijskega in protitlačnega deleža na izkoristek toplarne
Proces ogrevanja s toploto iz to p larn se začenja s kom binirano proizvodnjo električne in toplotne energije iz fosilnih ali jedrskih goriv. Izbiro le-teh narek u jejo zelo različni in številni dejavniki: cena, zanesljivost dobave, možnosti uskladiščenja, vpliv transform acije (zgorevanja) na okolje itd. P ri tem sta cena in zanesljivost dobave zelo sprem enljivi in odvisni od gospodarskega in političnega stan ja doma in v svetu.
P roizvodnja električne energije v term oelek tra rn a h s čistim kondenzacijskim obratovanjem po m eni zelo neracionalno izkoriščanje p rim arn ih v i rov (fosilnih ali jed rsk ih goriv). Izkoristek n ap rav te v rste dosega nam reč v najboljšem p rim eru ko m aj 35 do 40 % . Z aradi tega je težn ja po čim večji možni izključitvi ozirom a reko n stru k ciji kon denzacijskih term o e le k trarn toliko bolj utem elje na, kolikor d ražja p ostaja p rim arn a energija. Go spodarske težave p ri realizaciji tega pa niso za nem arljive in v veliki m eri zavirajo razvoj v tej sm eri ne glede n a zgornje, za v arčevanje s p rim a r nim i v iri energije izredno pomembno in znano spo znanje.
S krajnost teh teženj p ri to p larn ah je čisti pro- titlačn i pogon turbinskega postroja, ki izkorišča p rim arn e energijske v ire (goriva) najgospodarneje. O bratovanje te v rste pa je glede n a konstantnost razm erja m ed proizvodnjo električne in toplotne energije m anj prilagodljivo potrebam porabnikov in zaradi tega brez n ad aljn jeg a ni sprejem ljivo.
R azm erje m ed potrebo po električni in toplotni energiji, ki ga določajo porabniki, se nam reč v splošnem sprem inja (letni čas, dan, noč, delovni dnevi, prazniki, v rsta porabnikov itd.). R eševanje ta k ih problem ov v zvezi s protitlačnim o bratova njem v to p larn a h je seveda zaradi najracionalnejše izrabe p rim arn ih energijskih virov vedno ak tu al nejše.
N ajveč to p larn o b ra tu je m ed obem a sk rajn o st m a: del p are ekspandira do odjem nega tla k a (pro- titlač n i delež), preostali del pa ekspandira še n a prej do tla k a kondenzacije (kondenzacijski delež), k a r daje p ostroju večjo prilagodljivost zahtevam porabnikov.
Zanim ivo inform acijo s tega vidika daje slika 3 [2], ki v nekoliko poenostavljeni obliki prikazuje izkoristek av strijsk ih to p larn v odvisnosti od kon denzacijskega deleža p ri proizvodnji električne in toplotne energije. P ri tem je izkoristek definiran z izrazom
E + Q
E na sk rajnost je čisti kondenzacijski pogon (K = 100 %), ki ji na sliki 3 ustreza izkoristek g = 36 %. Zanim iva in pom em bna je druga sk ra j nost, ki ustreza kondenzacijskem u deležu K = 0,
Sl. 3. Izko ristek v odvisnosti od kondenzacijskega deleža pri obratovanju toplarne (kom binirana pro
izvodnja električne in toplotne energije)
E — pro izv ed en a e le k trič n a en erg ija, Q — pro izv ed en a to p lo tn a en erg ija, Qo — z gorivom d o vedena to p lo tn a en erg ija, QK ■— s h la d iln o vodo o d v ed en a to p lo tn a e n e rg ija p ri 40 o dstotnem deležu k o n d en zacije (odjem no o bratovanje), QK0 — s h lad iln o vodo o d vedena to p lo tn a e n e rg ija p ri 100 o dstotnem deležu k o n d en z a cije (čisto k o ndenzacijsko obrato v an je), K — delež konden zacije (100 °/o delež k o n d en z ac ije u stre z a čisti ko n d en zacijsk i te rm o e le k tra rn i b rez o d je m a p a re za
o g rev an je p ri izk o ristk u rj = 36 %)
tj. čistem u p rotitlačnem u pogonu, s celotnim izko ristkom g = 82 % , k a r je več k ak o r 100 odstotno povečanje izkoristka e le k tra rn e p ri čistem kon denzacijskem pogonu. T u tiči ena glavnih predno sti kom binirane proizvodnje električne in toplotne energije v toplarnah. P ra v tako je iz diagram a razvidna količina toplote, ki jo je tre b a s hladilno vodo odvesti p ri določenem deležu kondenzacije. Ta p ri čistem protitlačnem pogonu odpade, p ri m e šanem pogonu p a je odvisna od kondenzacijskega deleža (na sliki 3 je vnesen p rim er za kondenza cijski delež K = 40 % ).
Primerjava kombinirane in ločene proizvodnje električne in toplotne energije
z upoštevanjem porabniškega vpliva
H itrejši razvoj glede na varčev an je p rim arn ih virov energije tako pom em bnega o grevanja s top loto iz toplarn, zavirajo ekonom ske težave, ki jih povzročajo v glavnem sredstva, potreb n a za izgrad njo om režja za tra n sp o rt toplote do m esta porabe in njeno razdeljev an je m ed posam ezne bolj ali m anj strn je n e porabnike. V elikost še sprejem ljivih stroškov za te investicije pa se pom ika toliko bolj navzgor, kolikor se veča cena p rim arn ih virov energije in »vrednost« okolja.
Kom pleksno ekonomsko prim erjavo kom binira ne in ločene proizvodnje toplotne in električne energije omogoča upoštevanje vplivnih dejavnikov p ri proizvajanju, tra n sp o rtu in porabi toplote.
Vpliv teh dejavnikov zunaj toplarne n a gospo d arnost ozirom a re n tab iln o st celotnega ogrevalne g a sistem a je mogoče zajeti z vpeljavo param etrov, k a te rih velikost se sicer od p rim era do prim era sprem inja, zveza m ed njim i in rentabilnostjo si stem a pa ostaja nesprem enjena in omogoča eko nomsko oceno različic, ki p rih ajajo v poštev.
N azoren m odel zgoraj om enjene kom pleksne p rim erja v e obeh načinov proizvodnje toplotne in električne energije, vzet po v iru [2], je prikazan n a sliki 4. Tu gre za prim erjavo stroškov oziroma cen kom binirane nasproti ločeni proizvodnji p ri porabniku, upoštevajoč p ri ceni toplote Cq0 tu d i stroške za tra n sp o rt grelnega m edija in ogrevalno mrežo te r gostoto potrebne toplotne energije, ki določa srednjo specifično obrem enitev ogrevalnega om režja.
Sl. 4. Gospodarska kara kteristika daljinskega ogrevanja z ogrevalnim om režjem
CE — cen a e le k trič n e en ergije, Cq — cena toplotne
e n e rg ije n a p ra g u to p la rn e, Cqp— c e n a to p lo tn e e n e r g ije p ri p o rab n ik u , CQpd — d o p u stn a cena p ri p o ra b nik u , CE0 — cen a elek trič n e energije, če nosijo vse stro šk e p ro izv o d n je ele k trič n e in to p lo tn e en e rg ije sam o p o ra b n ik i elek trik e, CE0A — u stre z a gospodarski k a ra k te ris tik i A, CE0B — u stre z a k a ra k te ris tik i B to p
larn e, a = E/Q en e rg ijsk i ra z m e rn ik to p la rn e
P ri toplotni energiji je izhodišče za prim erjavo povprečna cena p ri porabniku, p ri čem er je seve da tre b a upoštevati stroške tra n sp o rta in razdelje v a n ja toplote.
P ovprečne stroške tra n sp o rta toplote zadovolji vo posreduje enačba (5) [3],
KQp = ^ + — din/GW h (5)
V L £
p ri čem er pom enijo:
K Q — p o v p r e č n e s tr o š k e to p lo te n a p r a g u t o p la r - d in
n e — -GWh
Kqp — povprečne stroške toplote p ri porabniku din
GWh
rji — le tn i iz k o r is te k o g r e v a ln e m r e ž e
aL — p o v p r e č n e s p e c if ič n e s tr o š k e z a o g r e v a ln o d in
m režo ----k m
a — letn i koeficient (anuitete, vzdrževanje itd.),
e — srednjo specifično obrem enitev ogrevalne m reže GW h/km in leto.
C e n i Con — p r i p o r a b n ik u u s tr e z a c e n a n a GWh
prag u toplarne [3]
_ / _ aol\ d in
Cq = ?7l J Cqp --- }--- (6)
\ e / GWh
Če so stroški proizvodnje električne energije in toplote v to p larn i K k in ceni posam eznih energij Ce in CQ, potem v elja n a m eji ren tab iln o sti enačba
K k = CE E + CQQ (7)
oziroma
—- = Ce + — Cq = Ce + - Cq = Ceo (8)
E E o
k je r je Ceo cena električne energije, če z vsem i stroški proizvodnje električne in toplotne energije obrem enim o samo porabnike elektrike.
Z enačbam a (6) m (8) podane odvisnosti so g ra fično prikazane n a sl. 4. D iagram je zasnovan na pogonskih p a ra m e trih srednje velike toplarne. Ne glede n a nestalnost in veliko sprem enljivost cen na vseh področjih pom eni grafično prik azan a zakoni tost zelo uporabno splošno zvezo najpom em bnejših vplivov na gospodarnost določenih različic takega ogrevanja. S tem omogočajo p ri vsaj približnem poznavanju velikosti vplivnih p aram etrov vredno te n je različnih inačic in izbiro n ajustreznejše na osnovi, za posam ezni p rim er najbolj upoštevanja vred n ih dodatnih dejavnikov (varstvo okolja, r a stoče potrebe po toplotni in električni energiji, ra z položljivo gorivo in njegove rezerve itd.).
1. od velikosti potrebne toplotne moči porabni kov, ki vpliva na pogonske stroške toplarne in n jen izkoristek,
2. od tega, ali g re za nadom estilo obratovalno sposobnih že obstoječih lastnih n ap rav za proizvod njo toplote ali za porabnike, ki bi m orali šele zgra diti lastne toplotne naprave.
Zgornji del diagram a prikazuje gospodarski prem ici to p larn e za dve k arak teristik i, in sicer za
kW h vrednosti o = 136 in o = 176 ---G J
V spodnjem delu diagram a so v risane prem ice MWh
za p aram etre od 4500 in 14 000---, k a r nekako leto km
ustreza obm očju daljinskega ogrevanja v Zahodni Nem čiji in A vstriji [4],
Iz diagram a n a sliki 4 je razvidno naslednje:
Ce je CQpa še dopustna, ozirom a v konkurenci z drugim i načini presk rb e s toploto še sprejem ljiva cena, sledi dopustna cena n a prag u elek trarn e Cqa, p ri k ateri je treb a upoštevati tu d i stroške tran sp o r ta nosilca toplote (vroče vode ali pare). P ri tem je cena n a prag u to p larn e Cqm dopustna (še spre
jem ljiva) p ri sred n ji specifični obrem enitvi =
MWh л
= 4500 MWh, Cq2 ( 1 p a p ri e2 = 14 000 ---. Ce leto km
kW h je npr. k a ra k te ristik a to p larn e o = 1 3 6 ---
(pre-G J m ica A), potem bi bili p ri obeh sk ra jn ih toplotnih gostotah ozirom a specifičnih obrem enitvah s1 in e2 letn i stroški pokriti, če bi bilo mogoče za proizve deno električno energijo v p rim erja v i z drugim i načini n jen e dobave doseči ceno Cei ozirom a Ce2 din/kW h.
Če vzamemo za prim erjavo kondenzacijsko te r m oelektrarno, k atere proizvajalni stroški električ ne energije bi bili Ce<i, bi to p larn a p ri sred n ji spe cifični obrem enitvi e± stroškov ne pokrivala, p ri večji specifični obrem enitvi s2 pa je ren tab iln ejša od p rim erja n e term oelektrarne. V prvem p rim eru je nam reč potreb n a cena električne energije Cei
večja kakor jo dosežemo s samo term oelektrarno
Ce i > Čeči
v drugem p a m anjša
Ce2 < CEd
k a r govori za večjo gospodarnost kom binirane p ro izvodnje električne in toplotne energije. Če torej leži sečišče koordinat CQd in CEd pod gospodarsko premico (točka 1), dela to p larn a p ri daljinskem ogrevanju z izgubo, če leži nad premico, pa p rinaša dobiček.
Postopek prikazanega vred n o ten ja te rja pozna vanje izhodiščnih param etrov, ki jih vsebujeta enačbi (6) in (8), k a r je tre b a za vsak p rim er po sebej določiti. P ri tem je sm otrno upoštevati poleg tren u tn e g a sta n ja tu d i predvideni razvoj in ra st potreb po električni in toplotni energiji. Ne glede n a to p a zgornji p rim er omogoča n aslednji sklep: na ren tab iln o st daljinskega ogrevanja s toplarno, izraženo s prim erjavo p roizvajalnih stroškov in anuitet, najm očneje vpliv ata
a) gostota porabe toplote na v poštev p rih a ja jočem področju (strnjenem naselju),
b) energijski razm ern ik a, ki po enačbi (8) moč no vpliva n a Ceo
-P ri predpisanem p ro titla k u je energijski ra z m ernik a odvisen p ri protitlačnem obratovanju, od stan ja p are p ri vstopu v turbino, p ri m ešanem o bratovanju pa tu d i od deleža kondenzacije.
S tan je sveže p are je odvisno od količine pare, ki teče skozi turbino, s tem posredno pa od veli kosti priključene oskrbe s toploto in pare, ki teče skozi kondenzator, k a r povezuje odvisnost med zgoraj om enjenim a točkam a a) in b). Čim m anjša je vrednost razm ernika o, tem večja je cena Ceo, če stroške kom binirane proizvodnje naložimo samo porabnikom električne energije. G ospodarnost ozi rom a ren tab iln o st to p larn e je torej v veliki m eri odvisna od izbranega kondenzacijskega deleža in to tako p ri dim enzioniranju kak o r tu d i o bratova n ju postroja, p ri čem er p a gre seveda za čim večjo neodvisnost proizvodnje električne energije od pro izvodnje toplote.
LIT E R A T U R A
[1] H an se n /L e sc ra u w a e t/R a m a e k e rs: In te g ra tio n des c e n trale s th e rm iq u e s d an s les system es de d istrib u tio n de ch a le u r in d u strie lle e t u rb ain e . Jo u rn e e s in te r n a tionales d ’E tu d e des C e n trale s E le ctriq u e s M odernes, L iege 1978.
[2] M usil: D ie M öglichkeiten u n d die w irts c h a ft liche B ed eu tu n g d e r H eiz k raftk o p p lu n g in d e r ö ffe n t lich en E le k trizitätsv e rso rg u n g , VDI B e ric h te 236, E n e r gietechnische T ag u n g 1975, D üsseldorf.
[3] M usil: A llgem eine E n erg ie w irtsch a ftsleh re. S p ringer-V erlag, W ien 1972.
[4] A rb eitsg em ein sch aft F e rn w ä rm e bei d er VDEV: H a u p tb e ric h t 1972 ü b e r die F ern w ä rm e v e rso rg u n g im B undesgebiet, einschliesslich B e rlin (West) FW I 1973, H e ft 5.
