Katalog energetskih tehnologija za proizvodnju električne i toplotne energije korištenjem biomase 1 2. izdanje Decembar 2016 Pripremili: Fahrudin Kulić i Dušan Gvozdenac Mišljenja i izjave autora ovog teksta navedene u dokumentu ne oslikavaju nužno mišljenja Američke agencije za međunarodni razvoj ili Vlade Sjedinjenih Američkih Država. 1 Ovaj dokument predstavlja prvi nacrt izvještaja koji će se kontinuirano ažurirati tokom trajanja projekta.
SADRŽAJ 1 UVOD... 7 2 Entitetski akcioni planovi korištenja obnovljivih izvora energije... 9 2.1 Akcioni plan Federacije BiH za korištenje obnovljivih izvora energije... 9 2.1.1 Garantovane otkupne cijene u FBiH... 10 2.2 Akcioni plan Republike Srpske za korištenje obnovljivih izvora energije... 12 2.2.1 Garantovane otkupne cijene u RS... 14 2.3 Pregled garantovanih otkupnih cijena za elektrane na biomasu u BiH, Hrvatskoj i Srbiji.. 16 3 Komercijalne tehnologije korištenja biomase... 18 4 BIOMASA... 21 4.1 Drvna biomasa... 22 4.2 Vlažna biomasa... 26 5 POJEDNOSTAVLJENI POSTUPAK ANALIZE ENERGETSKIH SISTEMA... 27 5.1 Godišnja ili sezonska efikasnost energetskih sistema... 28 5.2 Energetski sistem tvornice papira... 29 6 EKONOMSKA ANALIZA ISPLATIVOSTI PROJEKTA... 31 6.1 Ekonomski parametri... 31 6.2 Društveno-ekonomska procjena projekta (cost-benefit analiza)... 37 6.3 Analiza rizika... 37 7 DIREKTNO SAGORIJEVANJE SA PARNIM CIKLUSOM... 38 7.1 Postrojenja sa kondenzacionom turbinom sa jednim regulisanim oduzimanjem... 38 7.2 Generator pare (kotao)... 43 7.3 Primjer analize kogenerativnog parnog postrojenja... 45 7.3.1 Tehnički i ekonomski parametri kogenerativnog postrojenja... 46 8 GASIFIKACIJA I GASNI MOTORI... 53 8.1 Tehnički opis postrojenja i procesa... 53 8.1.1 Vrste gasifikatora... 56 8.1.2 Hlađenje i prečišćavanje gasa... 59 8.1.3 Gasni motor i generator električne energije... 59 8.1.4 Sistem kontrole i nadzora... 60 8.2 Proračunski postupak... 60 9 DIREKTNO SAGORIJEVANJE SA ORGANSKIM RANKINOVIM CIKLUSOM (ORC)... 67 9.1 Prednosti ORC turbina... 67 9.2 Opis postrojenja... 69 9.3 Primjer... 71 9.3.1 REZULTATI PRORAČUNA... 76 10 PROIZVODNJA BIOGASA I GASNI MOTORI... 78 2
10.1 Proces proizvodnje biogasa... 78 10.2 Uticajni faktori proizvodnje biogasa... 79 10.3 Prinos biogasa različitih organskih materijala... 82 10.4 Postrojenja za proizvodnju biogasa... 84 10.5 Primjer proračuna postrojenja za proizvodnju biogasa... 86 11 ZAKLJUČAK... 93 LITERATURA... 94 POPIS SLIKA Slika 3.1 Pregled tehnologija korištenja biomase i njihov razvojni status [27,4]... 18 Slika 4.1 Pregled energetskih konverzija biomase... 22 Slika 5.1 Šema složenog energetskog sistema... 28 Slika 5.2 Šema energetskog Sistema u drvno-prerađivačkom postrojenju [32]... 30 Slika 7.1 Šema postrojenja sa kondenzacionom turbinom sa jednim regulisanim oduzimanjem (a) i postrojenja sa protivpritisnom turbinom (b)... 38 Slika 7.2 T-s dijagram kondenzacione parne turbine s oduzimanjem pare... 40 Slika 7.3 Osnovna šema parnoturbinskog postrojenja... 41 Slika 7.4 Radni dijagram kondenzacione turbine s oduzimanjem (2 MWe)... 43 Slika 7.5 Mjesečna proizvodnja toplotne i električne energije i efikasnost postrojenja (dijagram opterećenja)... 46 Slika 7.6 Radni dijagram parne turbine i mjesečne srednje vrijednosti snage električne energije i protoka pare... 48 Slika 8.1 Postrojenje za gasifikaciju drvne biomase... 55 Slika 8.2 Suprotnosmjerni gasifikator... 57 Slika 8.3 Istosmjerni gasifikator... 57 Slika 8.4 Unakrsni gasifikator... 58 Slika 8.5 Šema procesa... 59 Slika 9.1 T-s dijagram za vodu (A) i tipične ORC fluide (B)... 69 Slika 9.2 Generalna šema ORC postrojenja... 70 Slika 9.3 Prikaz ORC ciklusa u T-s dijagramu... 71 Slika 9.4 Mjesečna potrošnja toplotne energije... 72 Slika 9.5 Mjesečne proizvodnje toplotne i električne energije... 73 Slika 9.6 Mjesečne i srednja godišnja efikasnost kogenerativnog postrojenja... 73 Slika 9.7 Kotao za termičko ulje temperature 320 C (4 MW)... 74 Slika 9.8 Izgled ORC modula... 74 Slika 9.9 Šema ORC modula... 76 Slika 10.1 Prinos gasa u zavisnosti od vremena zadržavanja... 81 3
Slika 10.2 Vertikalna i horizontalna konstrukcija digestora... 84 Slika 10.3 Tipsko postrojenje za proizvodnju biogasa... 85 Slika 10.4 Šema toka sirovina i proizvoda biogasnog postrojenja... 86 Slika 10.5 Šema kogenerativnog postrojenja... 88 POPIS TABELA Tabela 2.1 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2012. do 2015. godine u FBIH [1]... 9 Tabela 2.2 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2016. do 2020. godine u FBIH [1]... 10 Tabela 2.3 Garantovane otkupne cijene za el. energiju iz OIE u FBIH... 11 Tabela 2.4 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2009. do 2014. godine u RS [2]... 13 Tabela 2.5 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2015. do 2020. godine u RS [2]... 13 Tabela 2.6 Garantovane otkupne cijene u KM/kWh za el. energiju iz OIE u RS [18]... 15 Tabela 2.7 Garantovane otkupne cijene za elektrane na biomasu... 16 Tabela 4.1 Stope konverzije drvne biomase [30]... 23 Tabela 4.2 Zavisnost mokrog udjela i vlažnosti... 24 Tabela 4.3 Osnovni hemijski sastav drva i nekih ugljeva... 24 Tabela 4.4 Toplotne moći drvne biomase... 25 Tabela 4.5 Poređenje drvne biomase sa nekim drugim gorivima... 25 Tabela 4.6 Tipičan sastav biogasa... 26 Tabela 7.1 Kondenzaciona parna turbina sa kontrolisanim oduzimanjem pare... 43 Tabela 7.2 Maseni i energetski bilans kogenerativnog postrojenja... 47 Tabela 7.3 Struktura investicija u parno kogenerativno postrojenje... 48 Tabela 7.4 Polazni podaci... 50 Tabela 7.5 Rezultati tehničkog proračuna... 51 Tabela 7.6 Pregled prihoda i rashoda... 52 Tabela 8.1 Sastav gasa dobivenog gasifikacijom uglja i biomase... 56 Tabela 8.2 Polazni podaci... 60 Tabela 8.3 Tehnički rezultati proračuna... 61 Tabela 8.4 Struktura investicija u gasifikaciono kogenerativno postrojenje... 64 Tabela 8.5 Pregled prihoda i rashoda... 65 Tabela 8.6 Osnovni ekonomski parametri... 66 Tabela 9.1 Radne materije Rankinovog ciklusa... 68 Tabela 9.2 Tehnički podaci kogenerativnog ORC postrojenja... 72 Tabela 9.3 Struktura investicionih troškova... 75 Tabela 9.4 Pregled prihoda i rashoda... 76 Tabela 9.5 Osnovni ekonomski parametri... 77 Tabela 10.1 Svojstva i prinos biogasa iz stajnjaka domaćih životinja... 82 Tabela 10.2 Koeficijenti stočnih jedinica*... 83 4
Tabela 10.3 Polazni podaci... 89 Tabela 10.4 Struktura investicionih troškova... 90 Tabela 10.5 Detalji tehničkog proračuna... 90 Tabela 10.6 Pregled prihoda i rashoda... 91 Tabela 10.7 Osnovni ekonomski parametri... 92 5
PREDGOVOR Posebnu pažnju USAID EIA projekt posvećuje promociji korištenja biomase u energetske svrhe u poljoprivredi i drvno-prerađivačkoj industriji. Za ispunjavanje tog cilja jedna od planiranih aktivnosti je pružanje tehničke pomoći malim i srednjim preduzećima (MSE) iz navedenih sektora u pripremi projekata izgradnje postrojenja za proizvodnju električne i toplotne energije (kogeneracija) koristeći ostatak iz drvno-prerađivačke i poljoprivredne industrije (biomasu). Kroz takve aktivnosti se želi povećati iskorištenje raspoloživog potencijala biomase, povećati udio obnovljivih izvora energije u proizvodnji električne energije i obezbijediti dodatne prihode za preduzeća i time poboljšati njihovo poslovanje. Dodatni cilj EIA projekta je sagledati adekvatnost postojećeg zakonskog okvira i sistema poticaja za korištenje biomase za proizvodnje električne i toplotne energije i predložiti izmjene nadležnim institucijama u cilju njihovog poboljšanja. Ovaj katalog predstavlja jedan vid tehničke pomoći MSE koji će im pomoći da se upoznaju sa kogenerativnim tehnologijama korištenja biomase i analiziraju tehničke mogućnosti implementacije i isplativost takvih projekata. Ovom katalogu prethodi Izvještaj o trenutnom stanju i potencijalu u BiH za izgradnju kogeneracijskih postrojenja i elektrana na biomasu [15] u kome je data konzervativna procjena tehničkog potencijala primarne energije biomase u ova dva sektora od 3.820GWh iz čega bi se moglo proizvesti oko 1.000 GWh električne energije. 6
1 UVOD Bosna i Hercegovina (BiH) je 2005. godine potpisala Ugovor o osnivanju Energetske zajednice, koji ima za cilj da integriše zemlje potpisnice (Ugovorne strane) u tržište energije Evropske Unije (EU) na osnovu uspostavljanja obavezujućeg zakonskog okvira. Potpisivanjem Ugovora, Ugovorne strane su se obavezale da implementiraju direktive i uredbe EU prema odlukama Energetske zajednice. Energetska zajednica je 18.10.2012. godine donijelo Odluku D/2012/04/MC-EnC [6] u vezano za Direktivu 2009/28/EC o promovisanju upotrebe energije iz obnovljivih izvora. U Odluci je određeno da BiH treba povećati udio energije iz obnovljivih izvora sa 34% u bruto finalnoj potrošnji energije u 2009. godini na 40% u 2020. godini. Da bi se ostvario taj cilj, izrađeni su entitetski akcioni planovi korištenja obnovljivih izvora energije u kojima je definisano koja količina električne energije treba biti proizvedena iz različitih obnovljivih izvora energije (OIE) uključujući biomasu (vidi poglavlje 2). Iz tabela 04 i 2.5 može se vidjeti da je u Federaciji BiH (FBiH) planirana proizvodnja električne energije iz biomase od 30 GWh u 2020. godini a u Republici Srpskoj (RS) 44,56 GWh, odnosno ukupno u BIH 74,56 GWh u 2020. godini. Ovaj cilj ne bi trebalo biti teško ostvariti s obzirom na to da je tehnički potencijal primarne energije biomase u drvo-prerađivačkom i poljoprivrednom sektoru je procijenjen na 3.820 GWh [15]. Međutim, u vrijeme pisanja ovog kataloga u BiH nije postojalo niti jedno postrojenje za proizvodnju električne energije korištenjem biomase koje je bilo u sistemu podsticaja, odnosno da je proizvedena električna energija plasirana u mrežu i otkupljivana po garantovanim otkupnim cijenama (feed-in tarifa). Visina garantovanih otkupnih cijena električnu energiju proizvedenu iz biomase je prikazana u tabelama 05 i 08 i to je jedini finansijski podsticaj koji postoji u BiH za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora, uključujući i biomasu. U mnogim državama, uključujući i Hrvatsku, kogeneracija bazirana na obnovljivim izvorima se posebno stimuliše pod uslovom da je stepen efikasnosti kogenerativnog postrojenja veći od propisane efikasnosti, a to je obično oko 50%. Za takva postrojenja je garantovana otkupna cijena električne energije uvećana za određeni iznos (u Hrvatskoj 20%). Očekuje se da će se i u BiH u bliskoj budućnosti uvesti neka vrsta podsticaja za kogeneraciju iz obnovljivih izvora energije. Drugi finansijski podsticaji, pored garantovanih otkupnih cijena električnu energiju su vrlo mali, kao npr. da određena postrojenja na OIE su u cijelosti ili djelimično oslobođena plaćanja troškova balansiranja elektroenergetskog sistema. Postoje još neki podsticaji koji nisu finansijskog karaktera, kao npr. da postrojenja imaju prednost za priključenje na mrežu i da imaju prednost u plasiranju električne energije u mrežu u skladu sa prijavljenim dnevnim rasporedom proizvodnje. Osnovna svrha ovog kataloga je pružanje tehničke pomoći preduzećima u drvo-prerađivačkom i poljoprivrednom sektoru u razvoju projekata korištenja biomase u energetske svrhe kroz identifikaciju i analizu primjenljivih tehnologija. Kroz implementaciju projekata korištenja biomase u energetske svrhe u ovim sektorima će se povećati iskorištenje raspoloživog potencijala biomase, ispuniti ciljevi iz akcionih planova vezanih za udio biomase u proizvodnji električne energije i obezbijediti dodatni prihodi za preduzeća i time poboljšati njihovo poslovanje. U izradi kataloga smo 7
se trudili ponuditi uniforman, lako razumljiv i savremen pregled energetskih tehnologija korištenja biomase koje se komercijalno koriste u svijetu. Analiza će se ograničiti na tehnologije razvijene sa primarnim ciljem proizvodnje ELEKTRIČNE energije, a TOPLOTNA energija je u drugom planu. Druga osobenost ove analize je da se misli na KOMERCIJALNE tehnologije, koje je moguće na jednostavan način uvesti u praksu u BiH. To znači da se na jednostavan način može obezbijediti neophodan servis, i uključiti postrojenje u elektroenergetski sistem i lokalne i vlastite toplotne sisteme. To također znači da domaća industrija može da se adaptira i ponudi učešće u proizvodnji dijelova opreme ovih tehnologija i da se može jednostavno obučiti osoblje za korištenje opreme. Sve to treba da rezultira postepenom povećanju učešća ovih tehnologija u energetskom miksu BiH i da unaprijedi ekonomiju u cjelini, a posebno lokalne ekonomije. Uz katalog dolazi softver za tehno-ekonomsku analizu odabranih tehnologija, pomoću kojih se može vršiti analiza pojedinačnih projekata i ukazati na prepreke za praktičnu primjenu ovih tehnologija. Korisnici softvera (potencijalni investitori) mogu na jednostavan način mijenjati sve parametre koje se koriste u analizi projekta i odabrati ekonomski i tehnički najpovoljniju varijantu. Nadležne institucije mogu koristiti softver za analizu različitih primjera (projekata) odabranih tehnologija i moći utvrditi koliko su projekti isplativi sa sadašnjim podsticajima, da li postojeći podsticaji dovoljni da motivišu investitore da ulažu u takve projekte i da li će se moći ostvariti planirani udio biomase u proizvodnji električne energije. Uz pomoć ovog softvera može vršiti analiza parametara sadašnjeg sistema podsticaja i njihovog uticaja na isplativost projekata i tako poslužiti nadležnim institucijama da odrede u kom smjeru treba da se mijenjaju postojeće regulative sa ciljem ostvarivanja već iskazanih ciljeva u akcionim planovima. I potencijalni investitori i nadležne institucije mogu iskoristiti katalog i softver u svrhu sagledavanja mogućnosti razvoja ekonomije kroz angažman stručnog potencijala, uključivanje i razvoj malih i srednjih preduzeća za razvoj tehnologija, proizvodnju opreme, pružanju usluga servisa, održavanja i prikupljanja biomase, sve u svrhu proizvodnje električne i toplotne energije. Takav koncept može doprinijeti pored razvoja ekonomije i industrije i povećanom korištenju biomase i smanjenju emisije zagađujućih materija i stakleničkih gasova. 8
2 Entitetski akcioni planovi korištenja obnovljivih izvora energije U BiH je energetika u nadležnosti entiteta, pa su oba entiteta izradila akcione planove za korištenje obnovljivih izvora energije. 2.1 Akcioni plan Federacije BiH za korištenje obnovljivih izvora energije Akcioni plan Federacije BiH za korištenje obnovljivih izvora energije (APOEF) je u maju 2014. godine objavilo u Federalno ministarstvo energije, rudarstva i industrije (FMERI) [1]. U APOEF-u je definisan planirani udio OIE u ukupnoj finalnoj potrošnji energije iz OIE u grijanju i hlađenju, električnoj energiji i transport. Da bi se ostvarila planirana potrošnje električne energije iz OIE, određene su kvote proizvodnje električne energije iz OIE koji će se podsticati do 2020.godine i prikazane su u sljedećim tabelama. Tabela 2.1 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2012. do 2015. godine u FBIH [1] 9
Tabela 2.2 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2016. do 2020. godine u FBIH [1] Iz prethodne tabele se vidi da je za 2016. godinu planirano 14 GWh električne energije iz biomase i to sve iz čvrste biomase, bez planiranog učešća biogasa i biotekućina. Razlog za to je da nije bilo interesa za projekte izgradnje postrojenja za proizvodnju električne energije iz biogasa i biotekućina, pa nisu planirane ni količine. Međutim, prema Zakonu o OIE FBIH [30] svakih 18 mjeseci je potrebno ove količine revidirati prema prijavljenim projektima; očekuje se da će u sljedećoj verziji, koja se očekuje u prvoj polovini 2016. godine, biti planirana i kvota za biogas. Kako dosada nijedna elektrana na biomasu nije izgrađena u FBIH, cijela kvota od 14 GWh je na raspolaganju, što odgovara instalisanoj snazi od 2,15 MWe sa 6,500 radnih sati godišnje sa punim kapacitetom. U 2020. godini električna energija proizvedena iz biomase treba iznositi 30 GWh (4,61 MW instalisane snage). 2.1.1 Garantovane otkupne cijene u FBiH Regulatorna komisija za energiju u FBIH (FERK) je odobrila garantovane otkupne cijene (feed-intarife) za električnu energiju iz OIE koje su date u tabeli 05 [19]. Ugovor o otkupu električne energije po garantovanim otkupnim cijenama se potpisuje sa Operaterom Obnovljivih Izvora Energije i Efikasne Kogeneracije (OIEIEK) na 12 godina. Iz tabele vidimo da cijena varira u zavisnosti od instalisane električne snage postrojenja na biomasu i da su postrojenja podijeljena u četiri grupe: 1) Do 23 kw 2) Od 23 do 150 kw 3) Od 10 kw do 1.000 kw i 4) Od 1.000 kw do 10.000 kw Za postrojenja električne snage preko 10.000 kw koja koriste biomasu električna energija se ne otkupljuje po garantovanoj otkupnoj cijeni, dok za postrojenja na biogas najveće dozvoljena snaga iznosi 1.000 kw. Bitno je naglasiti da je potrebno ispuniti uslove koje propisuje FERK i Operator 10
obnovljivih izvora energije u FBiH da bi se ostvarilo pravo da se otkupi energija po garantovanoj otkupnoj cijeni a jedan od njih je da sva oprema postrojenja mora biti nova. Tabela 2.3 Garantovane otkupne cijene za el. energiju iz OIE u FBIH 11
2.2 Akcioni plan Republike Srpske za korištenje obnovljivih izvora energije Akcioni plan RS za korištenje obnovljivih izvora energije je u maju 2014. godine objavila Vlada RS [2]. U Akcionom planu u je definisan planirani udio OIE u ukupnoj finalnoj potrošnji energije iz OIE u grijanju i hlađenju, električnoj energiji i transportu. Da bi se ostvarila planirana potrošnje električne energije iz OIE, određene su kvote proizvodnje električne energije iz OIE koji će se podsticati do 2020. godine i prikazane su u sljedećoj tabeli. 12
Tabela 2.4 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2009. do 2014. godine u RS [2] Tabela 2.5 Pregled podsticane proizvodnje el. energije iz OIE 2015. do 2020. godine u RS [2] Iz prethodne tabele se vidi da je za 2016. godinu planirano 20,05 GWh električne energije iz biomase i to 13,3 GWh iz čvrste biomase i 6,75 GWh iz biogasa, bez planiranog učešća biotekućina. Do marta 2016. je samo jedna elektrana u RS ostvarila preliminarno pravo na otkup električne energije po podsticajnoj cijeni i tako rezervisala kvotu za planiranu proizvodnju (http://www.reers.ba/). 13
Preliminarno pravo važi do 26.09.2016. i do tada elektrana mora biti puštena u rad inače investitor gubi preliminarno pravo. Elektrana je na biogas i gradi se na farmi u Donjim Žabarima, sa kapacitetom od 989 kw i planiranom godišnjom proizvodnjom od 8,275 GWh. U slučaju da se elektrana pusti u pogon prije zadatog roka i da proizvodi planiranih 8,275 GWh, time bi se ispunila planirana proizvodnja iz biogasa za 2017. godinu i tek u 2018. godini preostaje još 1,475 GWh za neku drugu elektranu na biogas. U 2020. godini električna energija proizvedena iz biomase treba iznositi 44,56 GWh. Planirana instalisana snaga je 16,5 MW ali se kvote popunjavaju na osnovu proizvodnje električne energije a ne instalisanom snagom. Iz odnosa proizvodnje i snage vidimo da je planirano da postrojenja rade 2700 sati što je vrlo malo da bi se isplatila investicija. Vidimo da u slučaju elektrane na biogas u Donjim Žabarima broj planiranih radnih sati godišnje iznosi 8,275 GWh/989 kw=8367 sati. Iako je 8367 sati možda preoptimistična procjena, bliža je realnoj vrijednosti nego 2700 sati iz akcionog plana. To ne utiče na količinu električne energije iz OIE u RS koju će podsticati, samo znači da ukupna instalisana snaga će biti značajno manja od planiranih 16,5 MW. 2.2.1 Garantovane otkupne cijene u RS Regulatorna komisija za energiju u RS (RERS) je odobrila garantovane otkupne cijene (feed-in tarife) za električnu energiju iz OIE koje su date u tabeli 08 [18]. Ugovor o otkupu električne energije po garantovanim otkupnim cijenama se potpisuje sa Operaterom Obnovljivih Izvora Energije i Efikasne Kogeneracije (Elektroprivreda RS) na 15 godina. Iz tabele vidimo da cijena varira u zavisnosti od instalisane električne snage postrojenja na biomasu i da su postrojenja podijeljena po veličini u samo dvije grupe: 1) Do 1.000 kw i 2) Od 1.000 kw do 10.000 kw Za postrojenja električne snage preko 10.000 kw koja koriste biomasu električna energija se ne otkupljuje po garantovanoj otkupnoj cijeni, dok za postrojenja na biogas najveće dozvoljena snaga iznosi 1.000 kw. Bitno je naglasiti da je potrebno ispuniti uslove koje propisuje RERS i Operator obnovljivih izvora energije u RS da bi se ostvarilo pravo otkupa po garantovanoj otkupnoj cijeni a jedan od njih je da sva oprema postrojenja mora biti nova. 14
Tabela 2.6 Garantovane otkupne cijene u KM/kWh za el. energiju iz OIE u RS [18] 15
2.3 Pregled garantovanih otkupnih cijena za elektrane na biomasu u BiH, Hrvatskoj i Srbiji Prethodne tabele obuhvataju sve vrste OIE I date su radi potpunijeg uvida u entitetske akcione planove. Ovaj katalog se bavi korištenjem biomase u kogenerativne svrhe pa je bitno uporediti entitetske garantovane otkupne cijene za električnu energiju proizvedenu iz biomase. Tabela 2.7 Garantovane otkupne cijene za elektrane na biomasu Instalisana električna snaga (kw) FBIH (KM/MWh) RS (KM/MWh) FBIH (EUR/MWh) RS (EUR/MWh) Biomasa do 23 312,92 159,99 23-150 249,87 241,30 127,76 123,37 150-1000 240,67 123,05 1000-10.000 227,06 226,10 116,09 115,60 Biogas do 23 711,60 363,84 23-150 666,37 240,2 340,71 122,81 150-1000 278,91 142,60 16
Iz prethodne tabele se vidi da su u RS garantovane otkupne cijene za električnu energiju iz postrojenja električne snage do 1MW ista, a poznato je da specifična investiciona cijena (EUR/kW) opada sa povećanjem snage, tako da su postrojenja sve isplativija kako snaga raste, najisplativija su ona sa snagom od 1MW. U FBIH su određene više garantovane otkupne cijene za električnu energiju za postrojenja manje snage s ciljem postizanja slične isplativosti za sva postrojenja, mada je i u FBIH raspon od 150-1.000 kw velik i sigurno da specifična investiciona cijena unutar toga raspona nije konstantna, tako da se i u okviru te grupe najviše isplati graditi postrojenja od 1MW, ako se može obezbijediti dovoljna količina biomase i investiciona sredstva. Za biomasu razlika u cijeni između 150kW i 151kW je oko 5,5%, dok za biogas ta razlika iznosi čak 58%. To znači da će isplativost za 150kW biti značajno veća a i ukupna investicija manja i time zainteresirati investitore. I u FBiH i u RS bi bolje rješenje bilo linearno smanjivanje garantovane otkupne cijene sa porastom snage, kao što je urađeno u Srbiji, jer se ne bi u tolikoj mjeri favorizovala postrojenja sa snagom na kraju raspona u kome je garantovana otkupna cijena konstantna. Plan povećanja proizvodnje električne energije iz OIE i u FBiH i u RS je vrlo ambiciozan. U FBiH se planira povećanje proizvodnje za 409% u periodu 2012-2020, a u RS se planira povećanje proizvodnje za 285% u periodu 2015-2020. U 2014. godini je u FBiH proizvedeno približno 108 GWh iz OIE (ne računajući velike hidrolektrane) a planirano je 109,9 GWh. Na prvi pogled se čini da je ostvaren planirani cilj, međutim proizvedeno je 3,515 GWh od planiranih 5,85 GWh u solarnim elektranama a za elektrane na biomasu je planirano 6 GWh a nije niti jedna elektrana izgrađena. Posebno pitanje je da li treba u FBiH u 2020. godini proizvoditi 3,5 puta više električne energije iz vjetroelektrana u odnosu na elektrane na biomasu (107 GWh u odnosu na 30 GWh) kada elektrane na biomasu obezbjeđuju lokalno zapošljavanje. U 2014. godini je u RS proizvedeno približno 76,4 GWh iz OIE (ne računajući velike hidrolektrane) a planirano je 226,52 GWh. Proizvedeno je 0,56 GWh od planiranih 3,6 GWh u solarnim elektranama (SE) a u hidrolektranama (HE) 75,81 GWh od planiranih 149,55 GWh. Za elektrane na biomasu je planirano 13,37 GWh a nije niti jedna elektrana izgrađena. Međutim, po preliminarnim dozvolama za poticaj, što ukazuje na planiranu izgradnju, u RS bi trebali ostvariti planiranu proizvodnju iz SE i HE. Kao i u FBiH, treba preispitati odluka da li se u RS u 2020. godini treba proizvoditi skoro 5 puta više električne energije iz vjetroelektrana u odnosu na elektrane na biomasu (200 GWh u odnosu na 44,56 GWh) kada elektrane na biomasu obezbjeđuju lokalno zapošljavanje. 17
3 Komercijalne tehnologije korištenja biomase Osnova za odabir komercijalnih tehnologija primjenljivih u BiH su projekti u regiji (implementirani ili u implementaciji), prvenstveno u Hrvatskoj i Srbiji i izvještaji međunarodnih agencija za energiju kao što su EU Directorate-General for Energy, IRENA International Renewable Energy Agency, IEA - International Energy Agency i REN 21 - Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Na sljedećoj slici je dat status tehnologija za korištenje biomase u energetske svrhe. Isti grafički prikaz je korišten u izvještaju od IRENA u januaru 2015. godine [4], ali je prvobitno objavljen 2012. godine u izvještaju IEA [27]. Za te tri godine se situacija na tržištu nešto promijenila, ali ova slika nam može poslužiti kao osnova za dalje razmatranje. Za odabir komercijalnih tehnologija primjenljivih u BiH su značajniji projekti iz regije, jer je njihov ekonomski, društveni i industrijski razvoj na uporedivom nivou. Slika 3.1 Pregled tehnologija korištenja biomase i njihov razvojni status [27,4] Sa slike 3.1 se vidi da postoji vrlo mali broj komercijalnih tehnologija za proizvodnju električne energije iz čvrste biomase (zaokružene crvenom bojom): Direktno sagorijevanje sa parnim ciklusom (Combustion and steam cycle), Ko-sagorijevanje (Direct co-firing) i Gasifikacija sa parnim ciklusom (Gasification with steam cycle). Sve ove tehnologije mogu istovremeno mogu proizvoditi i korisnu toplotu, odnosno da se primijene kao kogenerativne tehnologije. Ko-sagorijevanje predstavlja korištenje mješavine biomase i uglja kao goriva, a pri tome je udio biomase u toj mješavini mali, pa ta tehnologija ne predstavlja korištenje samo obnovljivih izvora i stoga je izvan okvira ovog kataloga. Ta tehnologija je interesantna za korištenje u termoelektranama na ugalj i već su u Elektroprivredi BiH (EPBIH) vršili testiranje ko-sagorijevanja. 18
Gasifikacija u kombinaciji sa parnim ciklusom je manje interesantna od direktnog sagorijevanja u kombinaciji sa parnim ciklusom, jer i jedna i druga koriste parni ciklus. Također, direktno sagorijevanje je tehnologija već jako dugo dokazana u praksi. Dakle, od tri tehnologije prikazane kao komercijalne, mi ćemo razmatrati samo jednu: Direktno sagorijevanje u kombinaciji sa parnim ciklusom. Međutim, razmotrićemo i dvije tehnologije koje su na slici 04 prikazane da su stadiju rane komercijalizacije (zaokružene narandžastom bojom): Direktno sagorijevanje sa Organskim Rankinovim Ciklusom (ORC) i Gasifikacija sa gasnim motorom. Razlog što razmatramo ORC je to da su u Hrvatskoj 2012. i 2013. godine puštena u rad dva ORC postrojena snage 1MWe u fabrikama peleta i još najmanje tri ORC projekta su u pripremi u drvoprerađivačkoj industriji. To jasno pokazuje da je ORC tehnologija na stepenu komercijalnog razvoja da se može primijeniti i u BiH. Gasifikaciona postrojenja sa gasnim motorom su doživjela veliku ekspanziju u komercijalnoj upotrebi u zadnjih nekoliko godina. Samo u Njemačkoj je u 2013. godini izgrađeno novih 125 postrojenja za gasifikaciju drveta sa kumulativnom električnom snagom od oko 13 MWe (u prosjeku 104 kwe), što znači da samo mala postrojenja imaju komercijalnu zrelost za primjenu u BiH. Gasifikaciona postrojenja su posebno interesantna za primjenu u BIH jer ima relativno visok stepen efikasnosti proizvodnje električne energije za manje instalisane snage, odnosno da od svih razmatranih tehnologija se po jedinici primarne energije proizvodi najviše električne energije. Period povrata investicije je relativno kratak ako se ključni prihod ostvaruje prodajom električne energije. Pored toga, u Hrvatskoj postoji već nekoliko projekata koji su u različitim fazama implementacije. Nominalne snaga postrojenja su veoma važne pri izboru tehnologija. U ovom tekstu će se kroz primjere razmatrati postrojenja električne snage do 2 MWe, ali fokus je na postrojenja električne snage od 100kWe do 700kWe za koje sirovinu može obezbijediti jedno preduzeće ili gazdinstvo u BiH. Većina farmi i drvo-prerađivačkih preduzeća je mala i nemaju na raspolaganju dovoljne količine biomase da bi se isplatila investicija u postrojenje na biomasu. Teoretski, ovo otvara mogućnost za firmu da potpiše ugovore za prikupljanje sirovine za biomasu od drugih gazdinstava ili drvoprerađivačkih firmi po relativno niskoj cijeni. Investitor u postrojenje na biomasu treba da osigura dugoročno i sigurno snabdijevanje biomasom, a što zahtijeva dugoročne ugovore (na 10-20 godina). Kako je pravosuđe u BiH sporo i parnice mogu trajati godinama, a postoji i realna mogućnost spora u vezi snabdjevanja biomasom, kupovina biomase od drugih proizvođača nije realna opcija u BiH. Stoga je fokus ovog kataloga o postrojenjima na biomasu sa manjim snagama, za koje sirovinu mogu obezbijediti investitori, a to su veća preduzeća i gazdinstva. Postrojenja manje snage se priključuju na elektrodistributivnu mrežu i kod razmatranja projekata, pa je prvo potrebno utvrditi da li mreža ima kapacitet za priključenje postrojenja. Nominalna električna snaga direktno određuje i raspoloživu toplotnu snagu (energiju); pa i njena upotreba bi trebala da se adaptira lokalnim uslovima (potrebama), da se ne bi samo odbacivala u atmosferu iako prema sadašnjim pravilnicima nema zahtjeva da kogenerativni sistem koji koristi OIE mora ostvariti neki minimalni stepen korisnosti da bi se električna energija otkupljivala po garantovanoj otkupnoj cijeni. 19
Vrsta biomase od velikog je značaja, ali pored toga njen kvalitet treba da bude zadovoljavajući i bez značajnih varijacija, da se obezbijedi sigurno snabdijevanje i da joj cijena bude stabilna. Sve su to uslovi koji na duži rok mogu obezbijediti da postrojenje bude profitabilno. U drvno-prerađivačkoj industriji je jasno da je biomasa drvo, a u poljoprivredi su na raspolaganju ostaci iz ratarstva i stočarstva. U ovom tekstu će se razmatrati samo mogućnost korištenja ostatka iz stočarstva za proizvodnju biogasa postupkom anaerobne digestije i sagorijevanje biogasa u gasnom motoru. Razmatraće se i jednostepena i dvostepena anaerobna digestija jer se jednostepena digestija vrlo često koristi za manje snage (do 300 kwe) a dvostepena digestija za veće snage. Neće se razmatrati mogućnost direktnog sagorijevanja ratarskog ostatka jer su gazdinstva u BiH previše mala da bi obezbijedila dovoljno količine ratarskog ostatka potrebne za izgradnju kogenerativnog postrojenja. Na primjer, za izgradnju kogenerativnog postrojenja baziranog na ORCu, električne snage od 200kW potrebno je oko 1200 kw ulazne toplotne snage (Turboden 2), za što je potrebno oko 3000 tona kukuruznog ostatka, odnosno 5000 tona godišnje proizvodnje kukuruza (odnos proizvodnje i raspoloživog ostatka 1:0,6; 8000 radnih sati; stepen korisnosti kotla 0,85; donja toplotna moć ostatka 3,9 MWh/ton). Prema raspoloživim podacima, gazdinstvo sa tako velikom proizvodnjom kukuruza a ni drugih usjeva ne postoji u BiH. Dakle, kogenerativne tehnologije korištenja drvne i biomase iz stočarstva koje će se analizirati za primjenu u BiH u ovom katalogu su: 1. Direktno sagorijevanje sa parnim ciklusom 2. Gasifikacija i gasni motori 3. Direktno sagorijevanje sa Organskim Rankinovim Ciklusom (ORC) 4. Proizvodnja biogasa i gasni motori. Upotreba pomenutih tehnologija će biti razmatrana sa namjerom da se obezbijedi maksimalna proizvodnja električne energije, jer je prema BiH regulativi ovakva proizvodnja posebno stimulisana. Pri tome će se voditi računa da ukupna efikasnost energetskih transformacija bude visoka. Nakon pregleda energetskih karakteristika biomase svaka od tehnologija će biti opisana ukratko. To znači da će proces ili procese, koje te tehnologije obuhvataju, biti opisane u mjeri koja je dovoljna da se sagleda njihova suština i posebno procijene dometi i njihove mogućnosti praktične primjene u BiH. Da bi maksimalno približili praktičnu primjenu analiziranih energetskih tehnologija koristiće se softver koji će na jednostavan način omogućiti procjenu svih relevantnih tehničkih, ekonomskih i finansijskih parametara pojedinih tehnologija. Za svaku od tehnologija prikazaće se jedan primjer u kome će se analizirati svi relevantni parametri i njihov uticaj na profitabilnost postrojenja. 20
4 BIOMASA Biomasa je obnovljivi izvor energije i jedna od definicija biomase je data u EU RES Direktivi 2009/28/EC: Biomasa je biorazgradiv dio proizvoda, otpada i ostataka biološkog porijekla iz poljoprivrede (uključujući tvari biljnog i životinjskog porijekla), šumarstva i s njima povezanih proizvodnih djelatnosti uključujući ribarstvo i akvakulturu te biorazgradiv udio industrijskog i komunalnog otpada. Predmet analize ovog kataloga je biomasa poljoprivredi i drvno-prerađivačkoj industriji i biomasa iz ta dva sektora čini: - drvna biomasa (ostaci iz šumarstva, otpadno drvo) - drvna uzgojena biomasa (brzorastuće drvo) - ne-drvna uzgojena biomasa (brzorastuće alge i trave) - ostaci i otpaci ratarstva i stočarstva Biomasa iz poljoprivredne proizvodnje i drvoprerađivačke industrije može se energetski koristiti kao izvor zelene obnovljive energije. Ona može da potiče i od ostataka pri proizvodnji biljaka za ishranu i preradu ili može biti i ciljano uzgajana biomasa za energetske potrebe. Ciljani uzgoj brzorastućih biljaka sa velikim energetskim prinosom je u usponu u svijetu i EU, međutim u BiH do toga nije do došlo, mada se već duže vremena o tome govori. Otpadna biomasa obuhvata nusproizvode šumarstva i poljoprivrede, drvnoprerađivačke, papirne i industrije namještaja. Ova biomasa se sastoji od ostataka nastalih prilikom obrade žitarica, uljarica, slame, od presovanja grožđa, prilikom proizvodnje vina, od čišćenja i održavanja rijeka i kanala itd. Slika 4.1 daje pregled najvažnijih energetskih konverzija biomase. 21
ULJARICE (uljana repica, suncokret,...) ŠEĆERNA REPA i ŠEĆERNA TRSKA (rezanci, cerealije,...) ČVRSTA BIOMASA VLAŽNA BIOMASA (organski otpad, osoka,...) Rafinacija Ceđenje Ekstrakcija Hidroliza Piroliza Gasifikacija Fermentacija Anaerobni proces PIROLITIČKA JESTIVO ULJE ŠEĆER GORIVI GAS ULJA BIOGAS Transesterifikacija Fermentacija Hidroliza Sagorevanje Biodisel Etanol Kogeneracija TEČNA GORIVA ELEKTRIČNA ENERGIJA TOPLOTNA ENERGIJA VODENA PARA Slika 4.1 Pregled energetskih konverzija biomase Ova analiza će se usmjeriti prvenstveno na upotrebu čvrste (drvne) i vlažne biomase, jer su ovi oblici biomase i najinteresantniji u BiH za proizvodnju prije svega električne energije. Odluka da se fokusira na ta dva tipa biomase će rezultirati u izboru kogeneracionih tehnologija. 4.1 Drvna biomasa Kao i kod svakog drugog goriva, najvažnije osobine drvne biomase su: - hemijski sastav; - toplotna moć; - temperatura samozapaljenja; - temperatura sagorijevanja; - fizička svojstva koja utiču na toplotnu moć (gustina, vlažnost, zdravost drveta, itd.). U sljedećoj tabeli date su orijentacione stope konverzije prostornih kubnih metara (prm), nasipnih kubnih metara (nm) i punih kubnih metara (m 3 ) za najčešće vrste drvne biomase. 22
Tabela 4.1 Stope konverzije drvne biomase [30] Vlažnost drvne biomase određuje se kao udio mase vode u cjelokupnoj masi vlažne drvne biomase: mv mv W m m m s v, (2.1) gdje je: W - vlažnost, [-] m - masa vlažne biomase, [kg] mv - masa vode (vlage) u biomasi, [kg] ms - masa suhe biomase, [kg] Često se u pojedinim slučajevima vlažnost iskazuje u odnosu na masu suhe biomase i naziva se mokrim udjelom. Veza između vlažnosti i mokrog udjela je: mv W U m 1 W s (2.2) pri čemu je U mokri udio. 23
Vrlo često se veličine W i U iskazuju i u procentima. U tabeli 06 data je zavisnost mokrih udjela i vlažnosti u procentima. Tabela 4.2 Zavisnost mokrog udjela i vlažnosti Vlažnost, W % 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Mokri udio, U % 5,3 11,1 17,6 25,0 33,3 42,9 53,8 66,7 81,8 100 122 150 S obzirom na vlažnost, drvna biomasa može da se podijeli na sljedeće grupe: Sirovo drvo: W 40% Djelimično prosušeno drvo: W = 20 40% Prosušeno drvo: W = 8 22% Potpuno suho drvo: W = 0% Kao što se može vidjeti iz prethodnih podataka, vlažnost drvne biomase može biti veoma različita, a ako se tome doda da i toplotna moć ove biomase veoma zavisi od vlažnosti, onda je to veoma važan faktor koji se mora pažljivo analizirati pri izboru goriva, ali i pri provjerama tehničkih karakteristika ložišta ili pri ekonomskoj analizi primjene odabranog ili raspoloživog goriva. U nedostatku tačne vrijednosti toplotne moći za određene vlažnosti drvne biomase, mogu da se koriste sljedeće empirijske formule: H d = 18.282 (1 W) 2.5 W [ MJ kg ] (2.3) H g = H d + 1,35 + 2,5 W [ MJ kg ] (2.4) gdje je Hd donja a Hg gornja toplotna moć. Elementarni sastav suhe drvne mase je gotovo isti za bilo kakvu vrstu drveta. Prosječni elementarni sastav drvne mase (maseni udjeli) je: 49,6% ugljenik (C); 6,3% vodonik (H2); 44,1% kiseonik (O2) sa zanemarljivim udjelom azota, alkalnih metala i fosfora. U tabeli 07 predočen je osnovni hemijski sastav različitih tipova drvne biomase i nekih ugljeva. U tabeli 08 date su toplotne vrijednosti različite drvne biomase za dva osnovna slučaja: potpuno suho drvo i drvo sa 15% vlažnosti. U istoj tabeli prikazane su i približne gustine drvne biomase, kao i toplotne moći po kubnom metru i prostornom kubnom metru. Tabela 4.3 Osnovni hemijski sastav drva i nekih ugljeva Vrsta goriva Maseni udjeli, [%] C (ugljenik) H 2 (vodonik) O 2 (kiseonik) Drvo 50 6 44 Treset 60 6 34 Lignit 63 5 32 24
Mrki ugalj 66 5 29 Masni i kameni ugalj 80 5 15 Posni kameni ugalj 85 5 10 Antracit 90 2 5 Vrsta drvne biomase Tabela 4.4 Toplotne moći drvne biomase Gustina, [kg/m 3 ] Toplotna moć pri W=0%, [MJ/kg] Toplotna moć pri W=15% [MJ/kg] [GJ/m 3 ] [GJ/prm]* Grab 830 17,01 13,31 11,05 7,73 Bukva 720 18,82 14,84 10,68 7,48 Hrast 690 18,38 14,44 9,96 6,97 Jasen 690 17,81 13,98 9,65 6,75 Brest 680-14,70 10,00 7,00 Javor 630 17,51 13,73 8,65 6,05 Bagrem 770 18,95 14,97 11,53 8,07 Breza 650 19,49 15,43 10,03 7,02 Kesten 570-13,29 7,58 5,30 Bela vrba 560 17,85 13,65 7,64 5,35 Siva vrba 560 17,54 13,73 7,69 5,38 Crna joha 550 18,07 14,21 7,82 5,47 Bijela joha 550 17,26 13,52 7,44 5,21 Crna topola 450 17,26 13,15 5,92 4,14 Smreka 470 19,66 15,60 7,33 5,13 Jela 450 19,49 15,45 6,95 4,87 Obični bor 520 21,21 16,96 8,82 6,17 Ariš 590 16,98 13,86 8,18 5,72 Duglazija 530 19,18 15,20 8,06 5,64 Smreka 400 20,41 16,24 6,50 4,55 * Pri preračunavanju zapreminskih u prostorne metre uzet je faktor 0,7 (vidi i Tabela 4.1 Stope konverzije drvne biomase {30}). Da bi se u potpunosti stekla slika o drvnoj biomasi kao gorivu treba je uporediti i sa drugim gorivima. Takvo poređenje je dato u tabeli 09. Toplotna moć drvne biomase je bliska slami, tresetu i mrkom uglju, dok je znatno manja od toplotne moći lož-ulja i prirodnog gasa. Tabela 4.5 Poređenje drvne biomase sa nekim drugim gorivima Gorivo, [kg] Vlažnost Donja toplotna moć Odnos % MJ/kg kwh/kg Drvo = 1 Lož-ulje - 42 11,67 2,78 Kameni ugalj 5 29 8,06 1,92 25
Koks 5 29 8,06 1,92 Mrki ugalj 25 13,6 3,78 0,90 Prirodni gas - 50,2 13,94 3,32 Treset 32 13,3 3,69 0,88 Slama 15 14 3,89 0,93 Drvo 15 15,1 4,19 1 Iskustveni podaci govore da se 1000 litara lož-ulja može zamijeniti sa oko 5-6 prostornih metara (prm) tvrdog drveta ili 7-8 prm mekog drveta. Ako je u pitanju sječka onda se može reći da je potrebno čak 10 do 15 m 3 nasipne zapremine da bi se zamijenilo 1000 l lož-ulja. 4.2 Vlažna biomasa Dok je drvna biomasa jasno definisana i prepoznatljiva, vlažna (mokra) biomasa je vrlo raznolika po porijeklu, a samim tim i po sadržaju, ali je za nju karakterističan veliki sadržaj vode. Ispod su pobrojane moguće sirovine koje činu ovu vrstu biomase, zajedno sa sastavom biogasa koji se iz nje dobiva. Tehnologije za preradu ovakve biomase i dobivanje biogasa će biti obrađene kasnije. Proizvedeni biogas može da se koristiti za proizvodnju toplotne energije ili za pogon motora ili gasne turbine i proizvodnju električne i toplotne energije. Biogas je uglavnom smješa metana, ugljen-dioksida ali i drugih gasova u manjem procentu. U tabeli 10 prikazan je uobičajeni sastav biogasa. Toplotna moć ovako proizvedenog biogasa je u rangu ostalih goriva dobivenih iz biomase (Tabela 4.5). Tabela 4.6 Tipičan sastav biogasa Metan (СН 4) 50-65 % Ugljen-dioksid (СО 2) 30-45 % Voda (Н 2О) 0-5 % Azot (N 2) 0-3 % Kiseonik (О 2) 0-1 % Vodonik sulfid (Н 2S) < 1 % (vol) Temperatura 30 С Pritisak 1,0 bar Gustina oko 1,25 kg/m 3 pri 55% СН 4 Toplotna moć oko 5,5 kwh/m 3 (4,4 kwh/kg) Neke od sirovina za proizvodnju biogasa su: različita vrsta industrijskog otpada, poljoprivredni ostaci, izmet domaćih životinja, kultivisana biomasa stvorena prečišćavanjem otpadnih voda, kanalizaciona voda itd. Poljoprivredni otpad se miješa i tako se može povećati bakterijsko djelovanje, naročito ako je taj otpad u fazi raspadanja. Koriste se i svježe biljne sirovine radi povećanja prinosa biogasa. 26
5 POJEDNOSTAVLJENI POSTUPAK ANALIZE ENERGETSKIH SISTEMA Pojednostavljeni pristup analize energetskih sistema zasniva se na uvođenju stepena korisnosti ili efikasnosti pojedinih energetskih procesa unutar postrojenja. Predloženi i sprovedeni proračuni pojedinačnih postrojenja rasterećeni su u velikoj mjeri teorijskih analiza; samo su data kratka podsjećanja i objašnjenja pojmova neophodnih za potpuno razumijevanje problema. Time su izbjegnuta upuštanja u dublja objašnjenja i dokazivanja, inače važnih postavki i zaključaka koje termodinamika i druge naučne oblasti mogu da ponude. Složenost energetskog sistema zavisi od broja energenata koje koristi, broja i složenosti energetskih transformacija koje se u njemu obavljaju, broja energetskih podsistema, načina upravljanja pojedinih podsistema i cijelog sistema itd. Šema složenog energetskog sistema prikazana je na slici 06. Unutar granica sistema, koji mora da se definiše, nalazi se N energetskih podsistema. Svaki od podsistema može imati i nekoliko svojih podsistema. Kroz granicu energetskog sistema ulaze energenti koje on koristi. To može biti prirodni gas, električna energija, biogorivo itd. Svaki od podsistema je projektovan za korištenje nekog od energenata i u njemu se obavlja unaprijed definisana energetska transformacija. Na izlazu se dobiva ponovo energent, ali u obliku koji je neophodan procesu koji treba obaviti u procesu proizvodnje (vodena para za proces parenja drveta, komprimovani zrak za pogon mašina, tople vode za potrebe grijanja i dr.). Svaka od energetskih transformacija je praćena pojavom energetskih gubitaka. Prema zakonu o оčuvаnju еnеrgiје ukupnа kоličinа еnеrgiје u izоlоvаnоm sistemu оstаје kоnstаntnа tоkоm vrеmеnа. Iz tоgа prоizilаzi dа sе еnеrgiја nе mоžе uništiti, niti iz ničеgа stvоriti, vеć dа mоžе sаmо prеlаziti iz јеdnоg оblikа u drugi. Tako, za složeni energetski sistem na slici 06, može da se napiše da je: I J K E ul (i) = E iz (j) + E gub (k) i=1 j=1 k=1 (3.1) 27
Egub(1) Egub(k) Egub(K) GUBICI ULAZ ENERGENATA ili ENERGIJE Eul(1) Eul(2) Eul(i) Eul(I) 1 2 n n.m n.m+1 n+1 N Eiz(1) Eiz(2) Eiz(j) Eiz(J) IZLAZ ENERGENATA ili ENERGIJE Granica sistema Slika 5.1 Šema složenog energetskog sistema Efikasnost energetskog sistema može da se definiše na sljedeći način: η = J j=1 I i=1 E iz(j) E ul (i) = 1 K k=1 E gub(k) I E ul (i) i=1 (3.2) Iz ove jednačine vidi se da je problem efikasnosti usmjeren na smanjenje gubitaka. Na isti način kako je to urađeno za cijeli energetski sistem može se definisati i za svaki podsistem ili uređaj unutar njih. Prema tome, kvalitet vrlo složenih procesa energetskih trasformacija sveden je na broj iz intervala [0; 1). Određivanje ovog broja podrazumijeva potpuno poznavanje procesa koji se obavlja, provođenje mjerenja kojim bi se eksperimentalno utvrdila ta vrijednost, preuzimanjem vrijednosti efikasnosti iz literature ili procjenom na osnovu praktičnog iskustva. Koncept proračuna biće objašnjen na primjeru složenog energetskog sistema jedne tvornice papira. Cilj je da se odrede realne potrošnje energenata u pojedinim energetskim transformacijama da bi se procijenila tehnička i ekonomska efikasnost pojedinačnih procesa i rada cijelog postrojenja. Pri tome su izbjegnuti složeni tehnički proračuni, ali je ponekad i umanjena tačnost proračuna, koja u ovoj fazi nije ni potrebna. 5.1 Godišnja ili sezonska efikasnost energetskih sistema Proizvođači energetske opreme navode po pravilu nominalnu energetsku efikasnost svojih proizvoda koja je izmjerena prilikom testiranja pod uslovima i parametrima propisanim odgovarajućim standardom, koji propisuje i način obrade rezultata mjerenja. Najčešće se testiranje provodi pod punim opterećenjem i stacionarnim uslovima pogona. 28
U realnoj eksploataciji uslovi u kojima postrojenje ili oprema radi mogu značajno da odstupaju od standardom propisanih uslova, a broj pokretanja i zaustavljanja energetskog sistema može biti veoma velik. To znači da je rad postrojenja vrlo nestacionaran i da rad može biti i sa veoma smanjenim opterećenjem. Za potrebe proračuna kakav ovdje sugerišemo neophodno je da se raspolaže sa stepenima korisnosti ili sa efikasnostima analiziranog energetskog sistema koji odražavaju rad u realnim uslovima u cjelogodišnjem ili sezonskom periodu, ako postrojenje ne radi cijele godine. Takav stepen korisnosti je manji od nominalnog stepena korisnosti kojeg navodi proizvođač opreme. Na primjer, nominalna efikasnost modernih konvencionalnih kotlova za grijanje u sistemu 70/90 o C je oko 90%, ali je uobičajena vrijednost sezonske efikasnosti svega oko 65%, što predstavlja vrlo veliku razliku. To ukazuje na potrebu vrlo pažljive analize efikasnosti posmatranog sistema u funkciji uslova u kojima sistem radi u dužem vremenskom periodu. 5.2 Energetski sistem tvornice papira U pogonima za preradu drveta, potrebne su velike količine toplotne energije za sušenje i/ili parnu termičku obradu drva. Osim toga, drvno-prerađivačka postrojenja su veliki potrošači električne energije, što ih čini pogodnim za primjenu CHP tehnologija. U ovom poglavlju ćemo ukratko razmotriti primjenu ORC turbina u fabrikama medijapana [32]. Fabrici medijapana je potrebno 20MWth za sušenje i 20 MWth za druge proizvodne procese. Potrebnu toplotnu energiju daje kotao na drvne ostatke iz proizvodnog procesa. Električna energija se isporučuje kroz mrežu. Ako je instaliran ORC sistem, fabrika može u potpunosti iskoristiti svu toplotu iz ORC sistema i dodatno proizvesti 1,45 MW električne energije. Proizvodnja električne energije na ovaj način je mnogo efikasnija nego u tipičnom postrojenju i dodatno, ne postoje prenostni gubici jer se električna energija koristi u samom postrojenju. Efikasnost kotla na biomasu nije prikazan je na slici 5.2, ali se mora uzeti u obzir izračunavanje ukupne efikasnosti sistema. Ako pretpostavimo da je efikasnost kotla na biomasu 80%, a za proizvodnju 48.3MWth topline 48.3MWth / 0,8 = potrebno je 60.4MW biomase. Ako se primjenjuje jednadžba 3.2, ukupna efikasnost sistema je: η = J j=1 I i=1 E out(j) = E in (i) 20 + 20 + 1.45 60.4 = 40.45 60.6 = 66.7% (3.3) 29
Slika 5.2 Šema energetskog Sistema u drvno-prerađivačkom postrojenju [32] 30
6 EKONOMSKA ANALIZA ISPLATIVOSTI PROJEKTA Važan dio pripreme svakog projekta je izračunavanje njegove ekonomske opravdanosti.. Postupak standardnog izračunavanja opravdanosti projekta podrazumijeva procjenu sljedećih elemenata: Ekonomski parametri, Vremenska vrijednost novca, Izračunavanje profitabilnosti. Cilj izračunavanja opravdanosti projekta je određivanje ekonomske profitabilnosti projekta i/ili predloženih mjera i njihovo pravilno rangiranje. U ovoj fazi vrednovanja projekta ne uzimaju se u obzir mogućnosti za finansiranje projekta. Prema tome, efekti finansiranja projekta kao što su kamate na kredit, porezi, donacije i subvencije se neuzimaju u obzir prilikom izračunavanja ekonomske opravdanosti projekta. 6.1 Ekonomski parametri Analiza profitabilnosti zahtijeva da se sljedeći ekonomski parametri kvantifikuju što je moguće preciznije: Investicija I0 [KM] Godišnji neto prihod (ušteda) B [KM/god] Tehnički/Ekonomski vijek trajanja n [god] Nominalna kamatna 2 stopa rn 100 [%] Efektivna kamatna stopa re 100 [%] Realna kamatna stopa rr 100 [%] Kamatna stopa r 100 [%] Stopa inflacije b 100 [%] 2 Kаmаtа је trоšаk pоzајmljivаnjа nоvcа i kоmpеnzаciја pоvjеriоcа (banke) zа оdricаnjе оd sоpstvеnе pоtrоšnjе tog novca i rizikе kоје prеuzimа kаdа pоvjеrаvа svој nоvаc drugimа. 31
a. Investicija, I0 Investicija obuhvata sve troškove koji su vezani za ukupnu investiciju projekta. Investicije u projekt obično obuhvataju sljedeće elemente: Projektovanje/Planiranje, Upravljanje projektom/uvjerenje o kvalitetu, Nabavka komponenata, opreme i uređaja, Montaža, Kontrola i testiranje, Izrada i prikupljanje dokumenata o izgrađenom objektu, Obuka, Ostali troškovi, Porezi i PDV se ne uzimaju pri procjeni ekonomske opravdanosti. Prilikom procjene tekućeg prihoda projekta, u obračun se ne uključuju troškovi PDV-a i ostali indirektni porezi, ukoliko ih plaća investitor, i svi kapitalni transferi i subvencije. b. Godišnji neto prihod ili neto ušteda, B Godišnji ostvareni neto prihod ili ostvarena neto ušteda je ostvarena godišnja vrijednost novca [KM/god] koji je rezultat investicije (Io). Za projekte proizvodnje energije, onda se godišnji neto prihod može prikazati kao: gdje je: B = (S e E e + S t E t ) P&O (4.1) B Godišnji neto prihod, [EUR/god] Se Godišnja neto proizvodnja električne energije, [kwh/god] St Godišnja neto proizvodnja toplotne energije, [kwh/god] Ee Jedinična cijena električne energije, [EUR/kWh] Et Jedinična cijena toplotne energije, [EUR/kWh] P&O Troškovi pogona i održavanja (EUR/god) Godišnja neto proizvodnja električne energije je jednaka bruto proizvodnji električne energije umanjenoj za potrošnju energetskog postrojenja (pumpe, ventilatori, transportni sistem biomase). Ako pored neto proizvodnje energije, postoje i drugi indirektni prihodi (uštede), kao što su smanjenje naknade za vršnu snagu [KM/kWe] ili smanjenje naknade za zagađenje okoliša, onda ih treba uključiti u proračun prihoda. Jedinična cijena električne energije (Ee) je važeća garantovana otkupna cijena električne energije (vidi poglavlje 1). Jedinična cijena toplotne energije (Et) je važeća 32
tržišna cijena koja varira od projekta do projekta i ne može biti veća od cijene koju sada kupac plaća ili koliko ga košta da tu energiju proizvede. Troškovi pogona energetskog postrojenja uključuju troškove rada, goriva (biomase), održavanja i to se mora uzeti u obzir kako bi se dobio godišnji neto prihod od projekta (B). Prema tome, godišnji neto prihod od projekta (B) će biti jednak prihodima koji se dobiju od prodaje energije umanjenim za troškove pogona i održavanja, kao što je navedeno u jednačini 4.1. c. Tehnički/ekonomski vijek trajanja, n Ekonomski vijek trajanja: To je praktičan vijek trajanja investicije/opreme odnosno vrijeme nakon koga je isplativo da se zamjeni novom opremom. Tehnički vijek trajanja je fizički vijek trajanja investicije odnosno koliko dugo oprema može da efektivno radi. Ukoliko se komponente/proizvodi zamjenjuju prije nego što se pohabaju, kao rezultat raspoloživosti na tržištu novih i efikasnih komponenti, tada je ekonomski vijek trajanja kraći od tehničkog vijeka trajanja. Promjene standarda i propisa, cijena energije, nivoa udobnosti, itd. mogu takođe da dovedu do zamjene opreme prije isteka njenog tehničkog vijeka trajanja. Za izračunavanje ekonomske profitabilnosti se koristi ekonomski vijek trajanja. Kamata je još jedna komponenta pri izračunu ekonomske opravdanosti: - Nоminаlnа kаmаtnа stоpа (rn) је оnа kоја је zаpisаnа u ugоvоru izmеđu strаnаkа. To je relativni broj (procent), kојi određuje kоlikо nоvčаnih јеdinicа treba da se plati pо јеdinici krеditа u jednoj godini. Моžе biti fiksnа ili prоmjеnlјivа. U pоsljеdnjе vrijеmе, svе krеditе, izuzеv krаtkоrоčnih sа оtplаtоm dо gоdinu dаnа, bаnkе dајu sа prоmjеnjlјivоm nоminаlnоm kаmаtnоm stоpоm. Ova stopa zavisi zаvisi оd krеtаnjа stоpе rаstа cijеnа nа mаlо ili krеtаnjа kаmаtnih stоpа nа еvrоpskоm bаnkаrskоm tržištu, tzv EURIBOR 3 ili LIBOR 4. - Еfеktivnа kаmаtnа stоpа (re) је iznоs kојi određuje stvarnu vrijednost kredita na osnovu perioda obračuna kamate (mjesečno, sedmično) nakon оdbiјаnjа pоrеzа nа kаmаtu i drugih еvеntuаlnih trоškоvа bаnkе. Еfеktivnа kаmаtnа stоpа uklјučuје nаknаdе i prоviziје kоје kliјеnt plаćа bаnci zа оdоbrаvаnjе krеditа i trоškоvе оbrаdе zаhtijеvа (puštаnjа krеditа u opticaj, gоdišnju prоviziјu nа imе nаknаdе zа аdministrirаnjе krеditа, iznоs prеmiје оsigurаnjа, trоškоvi prоcjеnе vrijеdnоsti nеpоkrеtnоsti i pоkrеtnih stvаri, trоškоvi upisа zаlоžnоg prаvа itd.). Rеаlnа kаmаtnа stоpа (rr) prеdstаvlја prilаgоđenu nоminаlnu kаmаtnu stоpu zа procjenjenu inflаciјu. Veoma je teško da se predvidi kretanje realne kamatne stope, posebno 3 ЕURIBОR ili Еvrоpskа mеđubаnkаrskа stоpа (еngl. Euro Interbank Offered Rate) je dnеvna rеfеrеntna kаmаtna stоpa pо kојој bаnkе јеdnа drugој nudе nоvаc zа pоzajmicu nа mеđubаnkаrskоm tržištu. 4 LIBOR ili Londonska međubankarska stopa (engl. London Interbank Offered Rate) je dnevna referentna kamatna stopa po kojoj banke jedna drugoj nude novac za posuđivanje na londonskom međubankarskom tržištu. 33
u državama čije su privrede u tranziciji. Kod dužeg ekonomskog vijeka trajanja investicije, realna kamatna stopa može imati značajniju ulogu. Realna kamatna stopa korigovana za inflaciju je: r R = r N b b+1 (4.2) d. Štednja novca u banci (kretanje unaprijed) Ako se izvesna količina novca B0 [KM] nalazi u banci i ako je nominalna kamatna stopa rn, postavlja se pitanje kolika će količina novca biti u banci nakon n godina? Osnovi parametri ovako postavljenog pitanja su: Bo Bn rn n Količina novca u banci danas; Količina novca nakon n godina; Nominalna kamatna stopa banke; Vrijeme (godine) u kojem je novac u banci. Vrijednost novca u banci nakon isteka n-te godine je: B n = B o (1 + r N ) n (4.4) e. Diskontovana vrijednost (vraćanje unazad) Ukoliko je u banci Bn [EUR], nekada treba da se odredi kolika je vrijednost tog novca bila prije n godina. Korištenjem iste jednačine kao kod štednje novca (kretanje unaprijed), možemo da izračunamo B0: B o = B n (Diskontovana vrijednost) (1+r N ) n (4.5) gdje je 1 (1+r N ) n diskontni faktor. 34
f. Izračunavanje ekonomske profitabilnosti Postoji nekoliko metoda za izračunavanje ekonomske profitabilnosti investicije. Ovdje će se razmotriti sljedeće: - Period otplate (PB- Payback) - Neto sadašnja vrijednost (NPV-Net Present Value) - Interna stopa povraćaja (IRR-Internal Rate of Return) Sljedeći parametri koriste se kod svih metoda: - Investicija (bez PDV) Io [KM] - Godišnja neto gotovinska zarada B [KM/god] - Ekonomski vijek trajanja n [god] - Realna kamatna stopa rr 100 [%] g. Period otplate (PB - Payback) Prost period otplate je odnos Investicije i Godišnjeg neto prihoda i predstavlja vrijeme koje je potrebno da se povrati investicija na osnovu jednakih godišnjih neto prihoda (B1 = B2 =... = Bn), ne računajući kamate. Period otplate = Investicija = I o Godišnji neto prihod B [god] Metod perioda otplate je najjednostavniji alat za brzo izračunavanje, ali se moraju prepoznati i prisutna ograničenja: - Treba da se koristi samo kada je realna kamatna stopa niska, - Treba da se koristi za period otplate koji je kraći od 5 godina, - Metod ne uzima u obzir vrijednost godišnjih prihoda poslije perioda otplate. h. Neto sadašnje vrijednosti (NPV - Net Present Value) Da bi se mogle porediti projekti koji imaju različite visine investicije ali i različite buduće godišnje prihode i različit ekonomski vijek trajanja, potrebno je da se buduća vrijednost godišnjih neto prihoda diskontuje na sadašnju vrijednost, kada se vrše investicije. Neto sadašnja vrijednost (Net Present Value NPV) projekta je sadašnja vrijednost svih budućih 35
godišnjih neto prihoda tokom ekonomskog vijeka trajanja (od prve do n-te godine) umanjena za investiciju: Neto sadašnja vrijednost (NPV) = Diskontovana vrijednost neto prihoda INVESTICIJA Kriterij profitabilnosti je NPV > 0. Ako su godišnji neto prihodi različiti svake godina; B1 B2 B3... Bn, neto sadašnja vrijednost je: NPV = [ B 1 + B 2 (1+r R ) 1 (1+r R ) 2 + + B n (1+r R ) n] I o (4.6) U mnogim projektima, za neto prihode se obično pretpostavlja da su jednake za svaku godinu; B1 = B2 =... = Bn. Tada jednačina za neto sadašnju vrijednost može da se pojednostavi: NPV = B 1 (1+r R ) n r I o (4.7) i. Interna stopa povrata (IRR Internal Rate of Return) IRR je ona diskontna stopa za koju je neto sadašnja vrijednost projekta jednaka nuli, odnosno diskontovana vrijednost budućih prihoda jednaka Investiciji. Treba u sljedećoj jednačini odrediti IRR uz poznate ostale parametre problema. NPV = B 1 (1+IRR) n IRR I o = 0 (4.8) Interna stopa povrata (IRR) je jednaka najvećoj kamatnoj stopi kredita koju projekt može prihvatiti a da ne stvara gubitak. IRR se upotrebljava za procjenu finansijske valjanosti investicionog prijedloga. 36
6.2 Društveno-ekonomska procjena projekta (cost-benefit analiza) Društveno-ekonomska procjena ima za cilj da pruži procjenu o isplativosti projekta sa stanovišta društva u cjelini 5. Finansijska ocjena projekta ukazuje na isplativost projekta samo sa stanovišta investitora (preduzeća), što znači da je takva procjena znatno uža u odnosu na društvenoekonomsku procjenu. U praksi može doći do odstupanja slobodno formiranih tržišnih cijena, znači realnih, i faktičkih cijena koje su rezultat stvarnog procesa rada i stanja u preduzeću. Uzroci pojave odstupanja između ovih cijena mogu da budu i mjere nacionalne ekonomske politike (podsticaji, selektivna poreska politika itd.), zatim, poremećaji na tržištu (promjena kursa valuta i drugo). Suština društveno-ekonomske procjene se svodi na korekciju cijena, koje su korištene za finansijsku ocjenu, do nivoa realnih tržišnih cijena. To praktično znači da se obavlja dodatna ekonomska analiza tako što se pojedine stavke koriguju, odnosno pojedine stavke se umanjuju. Nakon toga se postupak procjene projekta obavlja na poznat način. Tako se PRIHOD računa kao zbir 1) ukupnog prihoda umanjenog za subvencije i dotacije i 2) ostatka vrijednosti, a RASHOD kao zbir 1) ukupnog ulaganja umanjenog za carine, uvozne takse,,i 2) materijalnih troškovi umanjenih za carine, uvozne takse, 3) nematerijalnih troškova umanjenih za poreze i doprinose, 4) bruto zarade umanjene za poreze i doprinose i 5) vanrednih rashoda. Dodatni kriteriji za procjenu su rezultati sa stanovišta opštih nacionalnih ciljeva, povećanje bruto društvenog proizvoda (BDP), smanjenje neujednačenosti između regiona u pogledu BDP, povećana zaposlenost, poboljšana zaštita životne sredine i drugih nacionalnih ciljeva. 6.3 Analiza rizika Analiza rizika obuhvata prije svega definisanje kritičnih promjenljivih uz pomoć analize osjetljivosti: ponude i potražnje, rezultata, ljudskih resursa, rokova realizacije, finansijskih i ekonomskih parametara (izvan opsega analize date u katalogu i softveru ali se navodi radi značaja i potpunosti informacija prezentiranih u poglavlju). To u konačnom zahtijeva obavljanje simulacije najboljeg i najgoreg scenarija odvijanja događaja i procjene vjerovatnoće njihove pojave te predviđanje i procjenu mogućih pozitivnih i negativnih posljedica. 5 Socio-ekonomska analiza je izvan okvira analize date u katalogu i softvera; Međutim, navedena je zbog značaja i potpunosti informacija prikazanih u poglavlju. 37
7 DIREKTNO SAGORIJEVANJE SA PARNIM CIKLUSOM Na slici 08 su prikazane dvije osnovne šeme kogeneracionih postrojenja sa parnim ciklusom i direktnim sagorijevanjem drvne biomase u parnom kotlu. U manja industrijska postrojenja, kakva su od interesa u ovoj analizi, ubrajamo industrijske kondenzacione turbine sa oduzimanjem pare za potrebe zagrijavanja izvan bloka energane (Slika 7.1a) i postrojenja sa protivpritisnom turbinom (Slika 7.1b). GV T2 GV K T1 G K T1 G RV1 P1 Kon P1 NP1 NP1 NPk (a) (b) (K kotao, GV glavni ventil; T1 visokopritisni dio turbine; T2 niskopritisni dio turbine; G generator; RV- regulacioni ventil; P potrošač; Kon kondenzator; NP napojna pumpa) Slika 7.1 Šema postrojenja sa kondenzacionom turbinom sa jednim regulisanim oduzimanjem (a) i postrojenja sa protivpritisnom turbinom (b) 7.1 Postrojenja sa kondenzacionom turbinom sa jednim regulisanim oduzimanjem Para proizvedena u parnom kotlu dovodi se u visokopritisni dio turbine. Dio protoka pare oduzima se kroz jedan ili više priključaka za oduzimanje. Oduzeta para se odvodi većim dijelom radi zagrijavanja prostorija ili za potrebe nekog tehnološkog procesa. Manji dio oduzete pare se po pravilu odvodi u uređaje za regenerativno zagrijavanje kondenzata. Regenerativno zagrijavanje kondenzata povećava stepen korisnosti parnog ciklusa, ali nije dio korisne toplote kogenerativnog postrojenja. Ne obračunava se direktno u stepen korisnosti ili efikasnost kogenerativnog ciklusa, već samo indirektno kroz povećanje stepena korisnosti parnog ciklusa. Preostali dio pare nakon svih oduzimanja, odvodi se kroz poslednji stepen turbine u kondenzator. Ukupan protok proizvedene pare u kotlu se propušta kroz turbinu i dobivena mehanička snaga se koristi za proizvodnju električne energije. Nakon prolaska kroz turbinu, cjelokupan protok odlazi za potreba procesa. Pritisak pare se unaprijed određuje i zavisi od toplotnih potreba procesa. Temperatura pare na kraju ekspanzije zavisi od stepena korisnosti turbine. Jasno je da i prethodna šema (kondenzaciona turbina sa jednim oduzimanjem) može da radi i kao protivpritisna ako se u oduzimanju odvede ukupni protok pare. 38
Zbog toga je šema na slici 08a daleko fleksibilnija i pogodnija za industrijske potreba gdje su promjene režima rada, obično brojnih i nezavisnih procesa, česte. Dalje ćemo razmatrati samo kondenzacione turbine sa oduzimanjem, jer je to opšti slučaj koji obuhvata i protivpritisnu turbinu. Kada para nakon djelimične ekspanzije u turbini dostigne pritisak (i temperaturu) koja je potrebna u nekom procesu, takva para, potrebnog masenog protoka, oduzima se iz turbine. Preostali protok pare u turbini nastavlja dalju ekspanziju u narednim stepenima turbine sve do kondenzacionog pritiska. Ovdje je opisan rad turbine sa jednim oduzimanjem, ali postoje konstrukcije turbine i sa više oduzimanja. Takva turbina je mnogo elastičnija u pogonu od protivpritisne turbine jer dopušta znatno veće promjene potrošnje pare kod potrošača. Ako je potrošnja pare potrošača jednaka nuli, tada turbina radi kao kondenzaciona. Sva para se koristi za proizvodnju samo električne energije i tada to ne predstavlja kogeneraciju. U drugom ekstremnom slučaju, ako je potrošnja toplote velika, turbina će raditi kao protivpritisna te niskopritisni dio turbine ostaje bez pare. U tom slučaju će se proizvoditi električna energije pa predstavlja kogeneraciju. Na slici 08a prikazana je parna turbina sa jednim oduzimanjem, kakva se analizira u ovom primjeru. T1 je visokopritisni dio turbine, a T2 je niskopritisni. Oba dijela mogu biti u zajedničkom kućištu, ali i odvojeni. Visokopritisni dio turbine (T1) dobiva svježu paru iz kotla, a regulator glavnog ventila (GV) podešava protok pare održavajući konstantan broj obrtaja. Nakon prolaska kroz visokopritisni dio turbine i pretvaranja toplotne energije pare u mehaničku energiju predatu osovini turbine, dio pare zadatog pritiska i temperature odvodi se ka potrošaču P1. Ostatak pare odlazi do niskopritisnog dijela turbine (T2). Ovaj protok pare prolazi kroz regulacioni ventil (RV1) kojim se upravlja zadatim pritiskom oduzete pare potrošača P1. To znači da protok pare u niskopritisnom dijelu turbine direktno zavisi od pritiska na mjestu oduzimanja P1. Vratilo turbine je (preko reduktora) spojeno sa generatorom u kome se generiše električna energija. Kondenzator je klasični izmjenjivač toplote pomoću kojeg se para pretvara natrag u tečno stanje, nakon što ekspandira u turbini. Kondenzat se pumpama vraća u kotao. Pritisak u klasičnom kondenzatoru je vrlo mali (podpritisak 0,04 0,08 bar). Pošto je kondenzator izmjenjivač toplote potrebno je osigurati i fluid kojem će se ta toplota predati, kako bi se para kondenzovala. Temperature kondenzacije pare koje odgovaraju pritiscima u kondenzatoru su od 30 do 45 o C, pa su pogodni fluidi praktično oni koji se nalaze u okolini (voda i zrak). Na slici 09 prikazan je proces ekspanzije u kondenzacionoj turbini sa jednim oduzimanjem pare u T- s (temperatura-entropija) dijagramu [29]. 39
Slika 7.2 T-s dijagram kondenzacione parne turbine s oduzimanjem pare Snaga generatora sa slike 08a se može odrediti iz sljedeće jednačine: E = M GV h i,t1 η m η g + (M GV M O ) h i,t2 η m η g (7.1) gdje su: h i,t1 h i,t2 M GV M o η m, η g unutrašnji izentropski toplotni pad visokopritisnog dijela turbine (kj/kg) unutrašnji izentropski toplotni pad niskopritisnog dijela turbine (kj/kg) maseni protok svježe pare kroz glavni ventil (kg/s) maseni protok oduzete pare, (kg/s) stepen korisnosti turbine stepen korisnosti generatora Korisna toplotna energija se definiše na sljedeći način: Q = M o h Q, (7.2) gdje je h Q razlika entalpija pare na ulazu i kondenzata na izlazu krajnjeg korisnika (kj/kg) 40
Iz jednačina (7.1) i (7.2) se vidi da sa povećanjem protoka oduzimanja opada snaga elektrogeneratora i povećava korisna toplota koja se koristi u procesu. U postrojenjima sa protivpritisnom turbinom je relacija između snage turbine i korisne toplote jednoznačna, odnosno da se povećanjem protoka pare u glavnom ventilu povećava i snaga turbine i snaga korisne toplote. Postrojenja sa kondenzacionom turbinom sa oduzimanjem omogućavaju daleko fleksibilniji rad jer je moguće da se, u relativno širokom dijapazonu, mijenja snaga korisne toplote a da pritom snaga turbine ostane nepromijenjena. To je veoma važno u mnogim industrijskim postrojenjima i zato ovaj tip postrojenja ima značajnu prednost u odnosu na protivpritisno postrojenje. Odnos toplotne prema električnoj snazi u ovakvim postrojenjima ide od nule do preko deset. Brojni su gubici koji se javljaju kod ciklusa u kojima se koristi parna turbina. U jednačini (7.1) eksplicitno su data samo dva gubitka, jer se pomenuta jednačina odnosi samo na turbinski dio kogenerativnog postrojenja. Kogenerativno postrojenje uključuje i kotao, kao što je prikazano na slici 10, s tim da je to najjednostavnija šema parnoturbinskog postrojenja sa osnovnim oznakama. h1 Q1 Mgorivo K p1 T G h2 Q2 NP hv p2 Kon Slika 7.3 Osnovna šema parnoturbinskog postrojenja Ukupni stepen korisnosti ciklusa proizvodnje električne energije cijelog ciklusa parne turbine jeste umnožak pojedinačnih stepena korisnosti. Tako se može napisati da je: gdje je Ciklus k t e NGen snaga generatora Gen Efektivni stepen e korisnosti h1 h2 Termički stepen korisnosti Stepen korisnosti kotla h t h N 1 2 1 h h h1 hv k H F u v (7.3) 41
h1 entalpija pare na izlazu iz kotla (ulazu u turbinu) h2 entalpija pare na izlazu iz turbine hv entalpija napojne vode na ulazu u kotao Hu donja toplotna moć goriva F potrošnja goriva za proizvodnju jednog kilograma pare Efektivni stepen korisnosti turbine iz jednačine (7.3) predstavlja umnožak sljedećih stepena korisnosti: e i m g Stepen korisnosti generatora Mehanički stepen korisnosti (7.4) Unutrašnji (izentropski) stepen korisnosti h h i h h 1 2 1 2i Raspon vrijednosti pojedinih stepena korisnosti je vrlo velik. Na primjer efektivni stepen korisnosti (ηe) može biti za vrlo velike turbine i 0,88, a za vrlo male može pasti i do 0,50. To samo zahtijeva pažljivu i detaljnu analizu parametara turbine pri projektovanju postrojenja. Na slici 11 prikazan je primjer dijagrama režima rada jedne male kondenzacione parne turbine sa jednim regulisanim oduzimanjem. Više detalja o turbini je dato u tabeli 08. Pod dijagramom režima rada parne turbine sa oduzimanjem pare podrazumijeva se grafički prikaz zavisnosti snage generatora od količine svježe pare i količine oduzete pare. Pri tome pritisak pare na mjestu oduzimanja ostaje konstantan. Radi izrade dijagrama režima, dio turbine visokog pritiska se posmatra kao jedna protivpritisna parna turbina, a dio turbine niskog pritiska kao jedna kondenzaciona parna turbina. Grafičkim superponiranjem linije potrošnje pare obje turbine dobiva se dijagram režima sa granicama radnog područja i linijama istog protoka oduzete pare. Dijagram režima može da se izradi bez poznavanja velikog broja detaljnih informacija. 42
4,5 Protok pare na ulazu u turbinu, MGV [kg/s] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 M MV = M ext 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 M ext = 0,0 kg/s Električna snaga, [MW] A p GV = 34 bar t GV = 435 o C p o = 6 bar p kon = 0,06 bar Slika 7.4 Radni dijagram kondenzacione turbine s oduzimanjem (2 MWe) Osjenčena oblast na slici 11 je radna oblast turbine. Na primjer, tačka A definiše režim rada pri kojem je električna snaga 1,6 MW i pri tome je protok oduzete pare 2,0 kg/s. Na ulazu u turbinu potrebno je dovesti protok pare od 3,28 kg/s. Odgovarajući Mo,min=1,322 kg/s, a Emax=1,9705 MW. Ove vrijednosti podrazumijevaju da je MGV=3,28 kg/s=const. Tabela 7.1 Kondenzaciona parna turbina sa kontrolisanim oduzimanjem pare Parametri Nominalni (max) kapacitet, MW 2,0 Broj obrtaja, 1/min 7.500 3.000 Pritisak pare (abs), bar 34 (32-36) Temperatura pare na ulazu, o C 435 (420-445) Pritisak pare na mjestu oduzimanja, bar 6 (5-8) Temperatura pare na mjestu oduzimanja, o C 248 (228-376) Pritisak kondenzacije, bar 0,074 (0,05-0,075) Ovaj kratak opis procesa baziranom na tehnologiji parne kogeneracije, ukazuje na njegovu složenost. Naime, za potrebe tehno-ekonomskog proračuna potrebno je znati mjesečne potrebe toplotne energije i proizvodnju električne energije u dvanaest uzastopnih mjeseci. Na osnovu tih vrijednosti se procjenjuje mjesečna potrošnja goriva, u ovom slučaju biomase. Takve proračune je moguće obaviti na nekoliko načina, ali su svi dosta zahtjevni i uključuju proračun turbine. Na jednom primjeru će biti prikazan jedan od mogućih načina proračuna. 7.2 Generator pare (kotao) Veliki je broj tipova kotlova ili generatora pare koji mogu da koriste biomasu za proizvodnju pare odgovarajućih pritisaka i temperatura za pogon parnih turbina. Tehnološka rješenja su vrlo raznolika 43
i obično maksimalno prilagođena vrsti i stanju biomase koja će se koristiti kao gorivo. Dok kod klasičnih goriva postoje precizni standardi koji garantuju parametre kvaliteta goriva, kod biomase to nije slučaj. Vrlo je teško održati i obezbijediti pouzdane parametre kvaliteta biomase, pa to može prouzrokovati probleme u radu kotla, ali i promenljive parametre pare na izlazu iz kotla. Jedna od ključnih prepreka šire primjene ove tehnologije je nestabilno snabdijevanje biomasom, odnosno nepostojanje uređenog tržišta biomase. Dodatni problem može biti rastojanje od izvora biomase i korisnika, jer povećavanjem udaljenosti povećavaju se troškovi transporta, a samim tim i cijena biomase. Stvaranje stabilnog tržišta biomase, zasnovano na organizovanom sistemu logistike (skladištenje, prevoz i priprema) biomase može značajno da umanji ovaj nedostatak. Neke od biomasa kao što je slama, ostaci od prerade voća itd., mogu biti alkalne (bazne) i da sadrže agresivne komponente, kao što je npr. hlor. Da bi izbegli ili smanjili rizik zašljakivanja zbog letećeg pepela niske temperature topljenja, erozije od abrazivnog letećeg pepela i korozije, proizvođači kotlova za sagorijevanje biomase tradicionalno izbjegavaju više pritiske pare. U poslednje vrijeme je upotrebom novih materijala i novih konstrukcija moguće da se ostvare pritisci pare koji su uobičajeni za kotlove koji koriste ugalj. Prednosti sagorijevanja biomase su: - zanemariva emisija CO2 (tzv. nulta emisija 6 ), - vrlo male emisije sumpor-dioksida, - pepeo preostao nakon spaljivanja se velikim dijelom može vratiti iskoristiti kao đubrivo u poljoprivrednoj proizvodnji. Nedostaci sagorijevanja biomase: - niska energetska gustoća, - potrebna velika površina za skladištenje biomase i - skup transport. Može se sa sigurnošću tvrditi da je danas moguće na tržištu kotlova za svaku biomasu naći odgovarajući kotao, ali isto tako se mora naglasiti da ne postoji univerzalni kotao koji bi mogao da sagorijeva svaku biomasu. Zato je veoma važno pažljivo i precizno odrediti sve parametre raspoložive biomase u cijelom vremenu njenog prikupljanja ili otkupa. Tako prikupljeni podaci će omogućiti odabir kotla optimalnih karakteristika. Pri izboru lokacije postrojenja potrebno je razmotriti sljedeće: 1) lokalni interes i podršku izgradnji postrojenja na biomasu, 2) raspoloživost biomasom i stanje infrastrukture za transport biomase, 6 Odnosi se na praksu uzgoja biomase da se emisija ugljen-dioksida nastala sagorijevanjem biomase kompenzuje utrošenim ugljendioksidom u procesu stvaranja biomase. 44
3) postojanje stabilnih potreba za parom i vrelom vodom (industrija ili komunalna energetika), 4) postojanje skladišta biomase ili simultane raspoloživosti biomase i potreba pare. Poželjno je da se slična analiza provede i za postrojenja koja koriste druge tehnologije korištenja biomase u energetske svrhe. Takvom analizom povećava se pouzdanost podataka koji se koriste pri projektovanju i kasnije pogonu postrojenja. 7.3 Primjer analize kogenerativnog parnog postrojenja Fabrika za preradu drveta zadovoljava sadašnje potrebe za toplotnom energijom koristeći kotao na drvni otpad kao gorivo. Na prostoru uz ovu fabriku planira se izgradnja kogenerativnog postrojenja koje bi koristilo taj otpad (biomasu). Proizvedena toplotna energija će se koristiti u postojećoj fabrici, a električna energija je namenjena prodaji Operatoru OIE po garantovanoj otkupnoj cijeni. Kogenerativno postrojenje će koristiti kondenzacionu parnu turbinu sa jednim regulisanim oduzimanjem. Kotao proizvodi pregrijanu paru (34 bar, 435 C) sagorijevajući drvni otpad. Para se oduzima na pritisku od 5 barg 7 ili 6 bar apsolutnog pritiska. Oduzeta para koristi se u toplovodnom sistemu grijanja (90/70 o C). Pored grijanja prostorija toplovodni sistem se koristi i u procesu sušenja drva i za druge proizvodne potrebe, a para se koristi u dijelovima procesa. Godišnji broj sati rada kogenerativnog postrojenja iznosi 8.256 h. Snaga elektrogeneratora je 1.500 kw. Maksimalna proizvodnja električne energije iznosi 8.256 h/a 1.500 kw = 12.384 kwh/a. Maksimalna toplotna snaga pare je 5,6 MW. Sva toplotna energija se koristi u procesu proizvodnje. Potrošnja toplotne energije varira tokom godine. Najveća je u zimskim mjesecima, a najmanja u ljetnim. Na slici 12 dat je proračunski dijagram mjesečne potrošnje toplotne i električne energije, i efikasnost postrojenja. Maksimalna mjesečna proizvodnja toplotne energije je oko 3.900 MWh/m, a prema dijagramu potrošnje toplotne energije vidi se da u zimskim mjesecima ta proizvodnja nije dovoljna i da treba obezbijediti dodatnu proizvodnju toplotne energije korištenjem postojećih kotlova. 7 barg (Gauge Pressure) je pritisak koji se očitava na manometru, odnosno pritisak iznad atmosferskog. bar (Absolute Pressure) je apsolutni pritisak, odnosno pritisak u odnosu na apsolutni vakuum. 45
Slika 7.5 Mjesečna proizvodnja toplotne i električne energije i efikasnost postrojenja (dijagram opterećenja) Sa slike 12 se vidi da se postrojenjem upravlja sa ciljem maksimalne proizvodnje i prodaje električne energije. Naime, mjesečna neto proizvodnja električne energije je približno konstantna i jednaka maksimalnoj dok se potrošnja toplotne energije mijenja tokom cijele godine. Sopstvena potrošnja toplotne energije je znatno manja od proizvedene, ali kako je proizvodnja električne energije posebno subvencionisana pa se stoga upravlja kogeneracionim procesom da se maksimizira proizvodnja električne energije. Kondenzaciona parna turbina sa regulisanim oduzimanjem omogućava takvo upravljanje sistemom. Odstupanje u proizvodnji električne energije postoji samo u osmom mjesecu, kada dolazi do značajnog smanjenja proizvodnje električne, ali i toplotne energije. U tom mjesecu se obavlja remont postrojenja, ali i cijele fabrike, pa postrojenje radi samo 11 dana. Od ukupno planiranog godišnjeg broja sati rada postrojenja (8.256), ostvareno je 7752 sati, odnosno 504 sata manje od planiranog. Pored planiranog remonta u osmom mjesecu mogući su i neplanirani prekidi tokom godine. Efikasnost postrojenja prikazana na slici 12 je srednja vrijednost koja u sebi sadrži i prekide i smanjenja opterećenja. 7.3.1 Tehnički i ekonomski parametri kogenerativnog postrojenja Sa prosječnim oduzimanjem pare od 55% godišnja potrošnja biomase je 44.382 tona ili 115.295 MWh (donja toplotna moć drvne biomase zavisi od vlažnosti). Neto godišnja efikasnost kogenerativnog postrojenja je 51,1%. Ova efikasnosti su dobivene proračunom tako što su za planirane mjesečne proizvodnje toplotne energije i adekvatne proizvodnje električne energije, izračunate potrošnje biomase. Nominalne efikasnosti i njihove promjene zbog promjene opterećenja su preuzete iz kataloga proizvođača i literature. Ovi podaci su od značaja za proračun profitabilnosti projekta i zbog toga ih treba pažljivo proračunati ili odabrati. Preduslov za ovakav proračun je dijagram opterećenja, kakav je prikazan na slici 115. 46
Maseni i energetski bilans kogenerativnog postrojenja je prikazan u tabeli 09. Tabela 7.2 Maseni i energetski bilans kogenerativnog postrojenja Naziv Jedinica Vrijednost Nominalna toplotna snaga kw 5.600 Nominalna električna snaga kw 2.000 Nominalna snaga kotla kw 11.200 Godišnji broj sati rada postrojenja h/a 8256 Proizvodnja toplotne energije MWh/a 43.525 Bruto proizvodnja električne energije MWh/a 16.512 Sopstvena potrošnja električne energije MWh/a 1.156 Neto proizvodnja električne energije MWh 11.228 Potrošnja biomase ton 44.328 MWh 115.295 Prosječna godišnja efikasnost postrojenja % 51,1% Pored dijagrama opterećenja, koji je važan za analizu svakog energetskog postrojenja, za parne turbine je od posebnog značaja i radni dijagram turbine. Takav dijagram je prikazan na Slici 7.4, ali su na Slici 13 unijete i srednje mjesečne snage električne energije, potrošnje pare na glavnom ventilu i protok oduzete pare. Iz ovog dijagrama je potpuno prepoznatljiv način upravljanja radom postrojenja. Snaga električne energije je vrlo stabilna, ali je promjenljiv protok pare oduzimanja, što je povezano sa promjenljivim opterećenjem potrošnje toplotne energije. Odstupa jedino tačka za avgust mjesec, kada je postrojenje radilo samo 11 dana zbog remonta (i godišnjih odmora). Iz tog dijagrama se vidi da može povećat proizvodnja električne energije, ali bi to uz istu proizvodnju toplotne energije zahtijevalo veću proizvodnju pare (skup tačaka na dijagramu 7.6 bi se pomjerio u desno i gore po linijama konstantnog protoka oduzimanja). Međutim, raspoloživa količina biomase je ograničena, pa je prikazani scenario vođenja postrojenja onaj koji je realan za konkretno postrojenje. 4,5 Protok pare na ulazu u turbinu, MGV [kg/s] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 MGV = Mo Mo = 0.0 kg/s 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 pgv = 34 bar tgv = 435 o C po = 6 bar pkon = 0,074 bar 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Električna snaga, [MW] 47
Slika 7.6 Radni dijagram parne turbine i mjesečne srednje vrijednosti snage električne energije i protoka pare Ukupna investicija posmatranog kogenerativnog postrojenja električne snage od 2MWe iznosi 6.142.500 EUR (sa PDV-a), što znači da specifična investicija iznosi 3.071 EUR/kWe. Struktura investicionih troškova prikazana je u tabeli 10. Tabela 7.3 Struktura investicija u parno kogenerativno postrojenje Projektna dokumentacija, dozvola i saglasnosti EUR 60.000 Građevinski radovi EUR 450.000 Elektro radovi EUR 200.000 Mašinska oprema i radovi (parna turbine, kotao) EUR 60000 Sistem za kontrolu i nadzor EUR 30.000 Priključak na elektrodistribucionu mrežu EUR 30.000 Priključak na toplovodnu mrežu EUR 30.000 Nadzor EUR 30.000 Puštanje u rad, garantni test i trening osoblja EUR 60.000 Nepredviđeni troškovi EUR 100.000 Ukupna investicija (sa PDV) EUR 6.142.500 PDV EUR 1.044.225 7.3.1.1 Procjena prihoda Garantovana otkupna cijena (Feed-in tariff FIT) se preuzima iz zvaničnih dokumenata koje izdaje regulatorna komisija. Posebno treba obratiti pažnju na snagu postrojenja i na dužinu perioda za koje se garantuje ugovorena tarifa. U FBiH garantovana otkupna cijena za električnu energiju za postrojenja koja koriste čvrstu biomasu i električne snage od 2MWe iznosi 116,1 EUR/MWh a u RS je vrlo slična 115,6 EUR/MWh. Električna energija za prodaju elektroenergetskom sistemu je jednaka bruto proizvedenoj električnoj energiji, a to je 16.512 MWh/a. Prihod od prodaje električne energije je 1.917.043 EUR/a. Dodatni prihod ostvaruje se prodajom toplotne energije fabrici za preradu drva. Prodajna cijena toplotne energije je 27 EUR/MWh. Ova cijena je slična trenutnoj cijeni toplotne energije koja se dobiva u klasičnom kotlu za sagorijevanje biomase, ali to je stvar ugovaranja između dvije firme iste vlasničke strukture. Sad se može odrediti prihod od prodaje toplote energije: 43.525 27 = 1.175.178 EUR/a. Ukupan godišnji prihod od proizvedene energije iznosi 1.917.043 + 1.175.178= 3.092.222 EUR/a. 48
7.3.1.2 Procjena tekućih rashoda Rashodi su sljedeći: - Troškovi biomase; - Troškovi radne snage; - Troškovi zemljišta; - Sopstvena potrošnja postrojenja; - Troškovi pogona & održavanja (O&M); - Ostali materijalni troškovi. Troškovi biomase Na osnovu potpisanog ugovora između isporučioca biomase i novoosnovane sestrinske firme za proizvodnju energije utvrđena je cijena biomase od 35 EUR/t. Donja toplotna moć biomase iznosi oko 9352 kj/kg odnosno2,6 MWh/t pri sadržaju vlage od 45%. Prema proračunu potrošnje biomase može se utvrditi trošak biomase od 1.553.381EUR/a. Troškovi radne snage Broj zaposlenih u novoj firmi jeste deset. Ukupni godišnji trošak za 6 zaposlenih je 72.000 EUR. Troškovi zemljišta Ovaj trošak ne mora postojati ako firma posjeduje neiskorišteno zemljište, ali se može smatrati i u tom slučaju troškom ako je firma u mogućnosti da to zemljište iznajmi drugom Sopstvena potrošnja postrojenja Za pogon pumpi, ventilatora i druge opreme, dio proizvedene električne energije troši samo postrojenje. Može postojati i druga potrošnja pored električne energije a u slučaju parnih turbina je potrebno nadomjestiti gubitak vode, koju je potrebno pripremiti prije nego što se ubaci u sistem. Troškovi pogona & održavanja (O&M) Troškovi pogona & održavanja se procjenjuju i predstavljaju troškove dodatno na sopstvenu potrošnju. Obično se za ovakva postrojenja uzima da je to 1-5% od investicije, osim ako proizvođač opreme nije drugačije preporučio. U ovom slučaju se pogonski troškovi i održavanje procjenjuju na 2% od ukupnih investicionih troškova. 7.3.1.3 Softverski proračun Proračunski postupak je realizovan uz pomoć MS Excel softvera koji je sastavni dio ovog kataloga. Softver je otvorenog tipa u kome korisnik sve vrijednosti može samostalno mijenjati da bi analizirao različite opcije. U tabeli 11 prikazani su polazni podaci. Ta tabela je identična za sve četiri tehnologije koje su obuhvaćene ovim softverom. Ulazni podaci koji su korišteni u proračunima su: 49
Emisioni CO2 faktor Emisioni CO2 faktor za električnu energiju je obično propisan od strane resornog ministarstva ili nekog drugog tijela. Berzanska cijena CO 2 Berzanska cijena CO 2 je ovdje navedena jer za neke projekte ili neke kredite treba imati i taj podatak. Na primjer, European Bank for Reconstruction and Development (EBRD) u analizi projekata koristi vrijednost CO2 od 20 EUR/t. Emisija CO2 će se izračunati tako što će se proizvedena neto električna energija pomnožiti sa emisionim CO2 faktorom za električnu energiju, a proizvedena neto toplotna energija sa emisionim CO2 faktorom za dizel. Sječka je obnovljivi izvor energije i njen emisioni faktor je nula. Korekcioni faktor električne energije Korekcioni faktor električne energije je specifičan faktor kojim se vrednuje primarna energija za proizvodnju jedinične finalne električne energije. Taj koeficijent zavisi od nacionalnog energetskog miksa. U BiH se oko 60 % proizvede iz uglja u termoelektranama sa prosječnim stepenom efikasnosti od 30% pa korekcioni faktor električne energije iznosi oko 2. Finansijski parametri Diskontna stopa, inflacija, amortizaciona stopa i PDV se neophodni parametri pri proračunu finansijskih elemenata projekta. Tabela 7.4 Polazni podaci Feed-in-tarifa (Iz tarifnog sistema za obnovljivu energiju i EUR/kWh 0,1161 kogeneraciju) Godišnji troškovi pogona i održavanja (O&M) (1-5% od investicije) % 2,0 Sopstvena potrošnja električne energije postrojenja % od BRUTO proizvodnje električne 7,0 energije Kupovna cijena električne energije iz mreže EUR/kWh 0,0500 Udio prodane toplotne energije % 70% Prodajna cijena toplotne energije EUR/kWh 0,0270 Emisioni CO2 faktor za električnu energiju kg CO2/kWh 0,708 Emisioni CO2 faktor za fosilno gorivo kg CO2/kWh (prirodni gas) 0,1836 kg CO2/kWh (mazut) 0,2517 kg CO2/kWh (industrijski ugalj) 0,3325 Berzanska cijena CO2 EUR/t 20 Period važenja ugovora o feed-in-tarifama god 12 Period otplate kredita god 10 Diskontna stopa % 7,5 Inflacija % 2,0 Amortizaciona stopa % 5,0 PDV % 17,0 Korekcioni faktor električne energije 2,0 50
Proračun je proveden uz pretpostavku da postrojenje radi punom snagom 8.256 sati godišnje. Priloženi softver omogućava korisniku da mijenja sve vrijednosti, pa se može uraditi proračun za različite snage postrojenja i za različite sate rada. U tabeli 12 su prikazani rezultati tehničkog proračuna a u tabeli 13 je dat pregled investicija, prihoda i rashoda. Tabela 7.5 Rezultati tehničkog proračuna Nominalni kapacitet turbine kw 2000 Pritisak pare (abs) bar 34 Temperatura pare na ulazu u turbinu oc 435 Pritisak pare na mjestu oduzimanja bar 6 Pritisak kondenzacije, bar bar 0,0750 Udio pare na mjestu oduzimanja % 55 Unutrašnji (izentropski) stepen korisnosti 0,80 Entalpija pare na ulazu u turbinu kj/kg 3303,89 Entalpija pare u oduzimanju kj/kg 2942,66 Entalpija pare na izlazu iz turbine kj/kg 2399,46 Temperatura kondenzacije oc 40,3 Mehanički stepen korisnosti 0,92 Električni stepen korisnosti 0,96 Protok pare na ulazu u turbinu kg/s 3,74 Protok pare u oduzimanju kg/s 2,06 Korisna toplota u oduzimanju kw 5.271,9 KOTAO Temperatura napojne vode oc 75 Stepen korisnosti kotla 0,8 Snaga kotla kw 11.172 Vlažnost sirove sječke (W1) % 45 Donja toplotna moć drvne biomase (vlažne) kj/kg 9352 Potrošnja biomase kg/s 1,49 Hemijska energija biomase MWh/a 115.295 GODIŠNJI PARAMETRI Godišnji broj sati rada postrojenja h/a 8.256 Proizvodnja električne energije BRUTO MWh/a 16.512 Proizvodnja toplotne energije MWh/a 43.525 Potrošnja biomasa t/a 44.382 Sopstvena potrošnja električne energije % 7,00 Sopstvena potrošnja električne energije MWh/a 1.156 Efikasnost CHP(neto) % 51,1% EMISIJA CO2 Ukupna NETO finalna energija MWh/a 58.881 Korekcioni faktor električne energije 2 Primarna energija MWh/a 74.237 Smanjenje emisije CO2 tco2/a 19.682 51
Tabela 7.6 Pregled prihoda i rashoda Ukupno plate i administracija EUR/god 72.000 Broj zaposlenih radnika osoba 6 Prosječna bruto plata EUR/god 12.000 TROŠKOVI POTROŠNJE I PRIPREME VODE Godišnji trošak EUR/a 75.000 TROŠAK RADA POMOĆNIH UREĐAJA Cijena električne energije EUR/kWh 0,0500 Trošak rada pomoćnih uređaja EUR/a 57.792 O&M troškovi (1-5% od investicije ) EUR/god 122.850 Troškovi goriva EUR/god 1.553.381 Potrošnja biomase t/god 44.382 Jedinična cijena biomase (sa transportom) EUR/t 35 BRUTO ELEKTRIČNA energije (sva proizv. el. energija po FiT) MWh/god 16.512 Jedinična cijena električne energije u prodaji (feed-in-tarifa) EUR/kWh 0,12320 Prihod od prodaje električne energije EUR/god 2.034.278 Jedinična cijena toplotne energije EUR/MWh 27,00 Udio prodane toplotne energije % 100% NETO TOPLOTNA energija za prodaju MWh/god 43.525 Prihod od prodaje toplotne energije EUR/god 1.175.178 UKUPNI GODIŠNJI PRIHOD EUR/god 3.209.457 UKUPNI GODIŠNJI RASHOD EUR/god 1.758.173 NETO ZARADA EUR/god 1.451.284 Prost period otplate god 4,2 Nakon analize svih energetskih, ekonomskih i finansijskih parametara, izračunati su neto sadašnja vrijednost novca (NPV) i interna stopa povrata kredita (IRR) na period od 12 godina na koji se u FBIH potpisuje ugovor o otkupu električne energije po garantovanoj otkupnoj cijeni. NPV(12) = 6.111.236 EUR IRR(12)=21% 52
8 GASIFIKACIJA I GASNI MOTORI Iz kilograma suhe mase drvnog otpada moguće je proizvoditi oko 2 Nm 3 gasa energetske vrijednosti od 1,4 do 2,4 kwh/nm 3. Pripremljena drvna masa se ubacuje u reaktor gdje se odvijaju procesi sušenja, termičkog razlaganja, redukcije, oksidacije i gasifikacije. Rezultat procesa je razgradnja organskih molekula i stvaranje molekula (atoma) C, CO, CO2, H2 i CH4. Nastali gasovi se nakon hlađenja, eliminacije kondenzata, katrana i čađi vode do krajnjeg korisnika. Takav gas može da se koristi na više načina, baš kao i dobro poznati prirodni gas. Ovaj sintetički gas ima ipak znatno manju toplotnu moć od prirodnog gasa koja je približno jednaka 10 kwh/nm 3. Ovom tehnologijom energetski potencijal otpadnog drveta može da se plasira potrošačima koji su udaljeni od deponija drvnog otpada tako što se gas transportuje do potrošača energije ili se lokalno proizvedena električna energija predaje lokalnoj distributivnoj mreži. Gasifikacijom drvnog otpada rješava se ekološki problem kontaminacije tla, vodotokova i zraka, koji nastaje na mjestu odlaganja otpada iz drvoprerađivačke industrije, industrije papira, šumskog i poljoprivrednog čvrstog otpada. 8.1 Tehnički opis postrojenja i procesa Osnovni dijelovi i procesi u postrojenju za gasifikaciju drvne biomase su: - Skladištenje, priprema i sušenje drvne biomase; - Gasifikacija; - Hlađenje i prečišćavanje biogasa; - Gasni motor ili turbina i generator električne energije; - Priključak na elektrodistributivnu mrežu; - Sistem kontrole i nadzora. Skladištenje, priprema i sušenje drvne biomase Drvna sječka od svežeg šumskog drveta skladišti se u natkrivenom prozračenom prostoru. Maseni udio vlage u ovakvoj sječki je obično od 45 do 50%, a komadi drveta su od 20 do 100 mm, nepravilnog oblika. Proizvođač gasifikacijskog reaktora propisuje uslove koje treba da zadovolji sječka prije njenog unosa u reaktor. Jedan od važnih uslova, pored veličine sječke, je maseni udio vlage sječke od 10%. Ova vlažnost može vrlo malo da varira, ali značajno utiče na kapacitet reaktora. Sušenje sječke do potrebne vlažnosti obavlja se korištenjem dijela toplote iz samog procesa gasifikacije. Na primjer, postrojenju za proizvodnju električne energije i toplotne energije, potrebno je oko 240 kg osušene sječke na sat. Mokri udio mase ovakve osušene sječke (10% masenog udjela) je kako slijedi (jed 2.2): 53
U 1 = W 1 = 0,1 = 0,1111 (8.1) 1 W 1 1 0,1 Ovaj rezultat se može dobiti i direktnim očitavanjem tabele 06. Kako je ukupna masa osušene sječke 240 kg, to znači da u njoj ima U1 240 = 0,1 240 = 24,0 kg vlage. Suhe materije u toj masi sječke ima ms = mv/u1 = 24,0/0,1111 = 216 kg (ili 240-24). Mokri udio u sječki koju tek treba osušiti u procesu pripreme za gasifikaciju, jeste 81,8% (Tabela 4.2). Kako je suhi udio drveta poznat, to je masa vlage (vode) u sirovoj sječki 216/0,8181 = 264 kg. Sad je masa sirove sječke 480 kg. Razlika masa osušene i sirove sječke je značajan i ukazuje na veliku količinu toplotne energije koju će trebati upotrijebiti za eliminaciju vlage. Sušenje se obavlja prirodnim prozračivanjem sirove sječke u skladištu i propuhivanjem toplog zraka kroz sloj sječke prije njenog unosa u reaktor. Gasifikacija Gasifikacija je najjednostavniji, gotovo najpouzdaniji i najstariji metod prerade gorive biomase u svrhu proizvodnje kvalitetnijeg goriva. Gasifikacija predstavlja postupak termičke dekompozicije, pri kojoj se materijal zagrijava spoljašnjim izvorom toplote bez prisustva zraka, a kao rezultat se dobiva mješavina čvrstog, tečnog i gasovitog goriva. Jedan dio dobivenog goriva koristi se kao izvor toplotne energije za gasifikaciju. U tehnološkom smislu pod gasifikacijom se podrazumijeva postupak proizvodnje gorivog gasa i koksnog ostatka termičkom destrukcijom goriva u uslovima odsustva kiseonika. Tokom procesa gasifikacije organske čestice se transformišu u gasove, male količine tečnosti i čvrste ostatke koji sadrže ugljenik i pepeo. Za uklanjanje čvrstih čestica se koristi odgovarajuća oprema, kao što su elektrostatički taložnici. Na slici 09 je šematski prikazano postrojenje za proizvodnju biogasa iz drvne biomase i njegovo korištenje za proizvodnju električne energije. Tri osnovna dijela ovakvog postrojenja su 1) reaktor (gasifikator) odnosno uređaj u kome se obavlja gasifikacija, 2) gasni motor u kome se generisani gas pretvara u mehaničku energiju i 3) generator u kome se mehanička energija pretvara u električnu energiju. Za veće snage se umjesto gasnog motora može se koristiti gasna turbina. Ostali dijelovi postrojenja sa slike 09 su pomoćni, ali veoma važni uređaji, koji omogućavaju efektivan i efikasan rad postrojenja. Njihova uloga će biti naknadno objašnjena. 54
Vazduh za gasifikaciju Električna energija Produkti sagorevanja Ulaz biomase Odvajač katrana Generator Gasni motor PIROLITIČKI REAKTOR Predgrejač vazduha Hladnjak gasa Ciklon Skruber Pepeo Ovlaživač vazduha Slika 8.1 Postrojenje za gasifikaciju drvne biomase Gas koji nastaje djelimičnim sagorijevanjem čvrste biomase u reaktoru uz suprotnosmjerno, istosmjerno ili unakrsno strujanje zraka, naziva se generatorski ili karburatorski ili sintetički gas ili biogas. Posljednja dva termina se koriste i u drugim procesima proizvodnje gorivih gasova ali u ovom dokumentu termin sintetički gas se odnosi na gas proizveden iz biomase kroz proces gasifikacije. Pri procesu gasifikacije čvrsta biomasa se pretvara u gorive gasove (volatile), koji zadržavaju najveći dio početne gorive vrijednosti. Sastav sintetičkog gasa može da se mijenja u zavisnosti od temperature, pritiska i atmosferskih uslova, kao i od vrste procesa koji se koristi. Primjer sastava gasa pri gasifikaciji uglja i biomase, kao i sastav prirodnog gasa radi poređenja, dat je u tabeli 09. Toplotna moć gasa dobivenog gasifikacijom biomase je od 1,4 do 2,4 kwh/nm 3 (5,04 8,64 MJ/Nm 3 ). Gorive komponente generatorskog gasa su ugljen-monoksid, vodonik, metan i manje količine etana i propana. Pored toga ovaj gas sadrži i određene količine negorljivih gasova, ugljen-dioksida i vodene pare. Sastav generatorskog gasa zavisi od temperature i pritiska na kojima se proces obavlja, kao i od sastava i vlažnosti ulazne sirovine. Generalno se može reći da se pri višim pritiscima povećava stvaranje metana i vodene pare, a da se pri višim temperaturama podstiče proizvodnja ugljenmonoksida i vodonika. Generatorski gas na izlazu iz reaktora sadrži i brojne štetne materije, kao što su azotni i sumporni oksidi, teški ugljovodonici (katran), pepeo itd. Ako će se gas koristiti u motorima sa unutrašnjim sagorijevanjem, potrebno je ovaj gas očistiti do one mjere koju zahtijeva motor sa unutrašnjim sagorijevanjem. Ako se generatorski gas koristi u kotlovima, stepen prečišćavanja je manji, ali ako se koristi gasna turbina gas mora biti dodatno prečišćen. 55
Tabela 8.1 Sastav gasa dobivenog gasifikacijom uglja i biomase Sastav Gasifikacija uglja Biogas ili generatorski gas Prirodni gas Vodonik (H2) 14,0% 18,0% -- Ugljen-monoksid (CO) 27,0% 24,0% -- Ugljen-dioksid (CO2) 4,5% 6,0% -- Kiseonik (O2) 0,6% 0,4% -- Metan (CH4) 3,0% 3,0% 90,0% Azot (N2) 50,9% 48,6% 5,0% Etan (C2H6) -- -- 5,0% Hg (MJ/Nm 3 ) 6,07 5,03 37,33 8.1.1 Vrste gasifikatora Gasifikatori mogu da se podijele u tri kategorije, pri čemu se podjela odnosi na karakteristike strujanja goriva i sredstva za gasifikaciju: gasifikator sa fiksnim slojem, gasifikator sa fluidizovanim slojem, i gasifikator sa slobodnim strujanjem. Gasifikatori sa fluidizovanim slojem i gasifikatori sa slobodnim strujanjem su pogodni za primjenu za snage gasifikatora preko 3 MWth [23], tako da se neće dalje razmatrati u ovom tekstu. Gasifikatori sa fiksnim slojem se dijele, u zavisnosti od načina toka goriva u odnosu na tok sredstva za gasifikaciju (zrak, para ili O2) na istosmjerne, suprotnosmjerne i unakrsne gasifikatore. Osnovne karakteristike suprotnosmjernog gasifikatora (Slika 8.2) u poređenju sa ostalim su: - Jednostavan dizajn - niski zahtjevi u pogledu pripreme goriva: fleksibilnost u pogledu veličine čestica (20 200mm) i vlažnosti (do 60 %) - visok stepen efikasnosti gasifikatora pošto je proizvedeni gas relativno hladan - gas sadrži veliki procenat katrana - Ima dugo vrijeme paljenja i dugo vrijeme početka rada - Kašnjenje u odzivu - Koristi se za dugotrajne procese 56
GAS ZONA SUŠENJA ZONA DESTILACIJE REDUKCIONA ZONA JEZGRO REAKCIJE VAZDUH ZONA PEPELA Slika 8.2 Suprotnosmjerni gasifikator Kada se gasifikacija obavlja istosmjerno (Slika 8.3), nastali gasovi vode se kroz hladniju zonu prema izlazu iz postrojenja. To je i razlog što se veliki molekuli ugljovodonika ne raspadaju, pa gas mora dodatno da se očisti. Ovaj način se koristi vrlo često, jer je pogodniji je za biomasu sa većim udjelom vlage. Većina gasifikatora drvne biomase snage manje od 1 MWth, koji su trenutno u pogonu u Njemačkoj, su ovog tipa [23]. Stoga je ova vrsta gasifikatora najinteresantnija za primjenu u BiH. Osnovne karakteristike istosmjernih uređaja u poređenju s ostalim su: - složenije je konstrukcije - visoki zahtjevi u pogledu pripreme goriva: mala fleksibilnost u pogledu veličine čestica (samo komadno drvo) i vlažnosti (< 20 %) - gas sadrži nizak procenat katrana - ima kraće vrijeme paljenja i kraće vrijeme početka rada - brži odziv - koristi se za dugotrajne procese - ne može da koristi goriva sa velikim sadržajem pepela ZONA SUŠENJA ZONA DESTILACIJE VAZDUH JEZGRO REAKCIJE VAZDUH REDUKCIONA ZONA PEPEO GAS Slika 8.3 Istosmjerni gasifikator 57
Gasifikacija s unakrsnim strujanjem je najjednostavniji proces (Slika 8.4). Gorivo se ubacuje kroz otvor na zidu reaktora u sloj, gdje odmah dolazi u kontakt sa vrelim zrakom. Neposredan kontakt vrelog sadržaja sloja i novog goriva osigurava visoki stepen korisnosti ovakvog procesa. Uobičajena temperatura nastalog gasa je od 700 do 850 o C. Za unakrsnu gasifikaciju važi: - visoki zahtjevi u pogledu pripreme goriva: veličina i oblik sječke mora biti uniformni - Ne može da se koristi gorivo sa visokim sadržajem katrana i pepela - Brži odziv - Kraće vrijeme startovanja ZONA SUŠENJA DESTILACIONA ZONA VAZDUH GAS JEZGRO PEPEO REDUKCIONA ZONA Slika 8.4 Unakrsni gasifikator Kvalitet goriva koje se gasificira jeste funkcija njegovog ugljeničnog sadržaja, granulacije goriva i njegove uniformnosti, nasipne gustine, sadržaja katrana, sadržaja pepela, sadržaja vlage i brzine reakcije sagorijevanja. Prikaz procesa koji se odvija u postupku transformacije drvne biomase u električnu energiju i opis međuprocesa i operacija prikazan je na slici 13. 58
BIOMASA 1 Kontrolisana količina vazduha za sagorevanje GASIFIKATOR Pepeo SIROVI GAS Kondenzat 2 FILTER PREČIŠĆENI GAS 3 Produkti sagorevanja GASNA TURBINA ILI GASNI MOTOR Toplotna energija MEHANIČKI RAD 4 GENERATOR ELEKTRIČNA ENERGIJA 1 GASIFIKACIJA 2 PREČIŠĆAVBANJE GASA 3 KONVERZIJA HEMIJSKE ENERGIJE GORIVA U MEHANIČKU 4 KONVERZIJA MEHANIČKE ENERGIJE U ELEKTRIČNU Slika 8.5 Šema procesa 8.1.2 Hlađenje i prečišćavanje gasa Temperatura generatorskog gasa nakon izlaska iz istosmjernog gasifikatora (reaktora) je oko 750 o C. Gas se u nekoliko konsekutivnih postupaka prečišćava i hladi na konačnih oko 60 o C, nakon čega se filtrira. Tako pripremljen gas je ohlađen, bez prisustva katrana, pepela i prašine, i može se koristiti u gasnom motoru (ili turbini). Sistem prečišćavanja i hlađenja je uglavnom zatvoren, i svi nusproizvodi se vraćaju u reaktor i naknadno podvrgavaju razgradnji. 8.1.3 Gasni motor i generator električne energije Gasni motor je klasičan Otto motor, ali prilagođen očekivanom sastavu generatorskog gasa. Stepen korisnosti ovakvih motora u proizvodnji mehaničke snage iznosi 35 do 40%. Korisna toplotna energija nastaje od tečnosti za hlađenje motora i od produkata sagorijevanja. Temperatura tečnosti na izlazu motora je 75-90, a na ulazu 60-80 o C. Temperatura produkata sagorijevanja je 500-550 o C. Generator električne energije manjih snaga korišten u ovim primjerima je niskog napona i frekvencije 50 Hz. Stepen korisnosti ovakvih generatora je obično 91-93%. 59
8.1.4 Sistem kontrole i nadzora Ovakvo postrojenje za proizvodnju električne i toplotne energije ima puno pojedinačnih međusobno zavisnih komponenti. Takvo složeno postrojenje zahtijeva odgovarajuća mjerenja i sistem upravljanja s ciljem optimizacije rada postrojenja. 8.2 Proračunski postupak Proračunski postupak je realizovan uz pomoć MS Excel alata. U tabeli 10 prikazani su polazni podaci. Ta tabela je zajednička za sve četiri tehnologije koje su obuhvaćene ovim softverom. Za opis parametera korištenih u ovoj tabeli vidi poglavlje 7.3.1.3. Tabela 8.2 Polazni podaci Feed-in-tarifa (Iz tarifnog sistema za obnovljivu energiju i kogeneraciju) EUR/kWh 0,1232 Godišnji troškovi pogona i održavanja (O&M) (1-5% od investicije) % 3,0 Sopstvena potrošnja električne energije postrojenja (Za slučaj da tarifni sistem priznaje samo NETO proizvedenu električnu energiju) % od proizvodnje električne energije 7,0 Kupovna cijena električne energije iz mreže EUR/kWh 0,0500 Udio prodane toplotne energije % 70% Prodajna cijena toplotne energije EUR/kWh 0,0270 Emisioni CO 2 faktor za električnu energiju kg CO2/kWh 0,708 Emisioni CO 2 faktor za fosilno gorivo kg CO2/kWh 0,1836 (prirodni gas) kg CO2/kWh 0,2517 (mazut) kg CO2/kWh 0,3325 (industrijski ugalj) Berzanska cijena CO 2 EUR/t 20 Period važenja ugovora o feed-in-tarifama god 12 Period otplate kredita god 10 Diskontna stopa % 7,5 Inflacija % 2,0 Amortizaciona stopa % 5,0 PDV % 17,0 Korekcioni faktor električne energije 2,0 U tabeli 11 dati su osnovni proračunski podaci postrojenja. Osnovna i najvažnija pretpostavka koja se ovdje navodi je podatak o potrebnom protoku suhe sječke za snagu od 1 kw električne energije. 60
Obično se uzima da je za protok od 1 kg/h suhe sječke dovoljan za snagu od 1 kw na klemama generatora. Na osnovu potrošnje nekih postrojenja u pogonu u EU, ova vrijednost potrošnje suhe sječke je okvirno tačna, ali stvarnu vrijednost će dati proizvođač opreme. Tabela 8.3 Tehnički rezultati proračuna OSNOVNA PRETPOSTAVKA OVOG PRORAČUNA JE DA SVAKI kw ELEKTRIČNE SNAGE TREBA 1 kg/h SUŠENE SJEČKE (može se mijenjati) 1,00 GASNI MOTOR Električna snaga kw 500,00 Električni stepen korisnosti % 38,00 Ukupni stepen korisnosti % 85,00 Snaga generatorskog gasa kw 1315,79 Toplotna snaga kw 618,42 RAD POSTROJENJA Godišnji broj sati rada h/god 8000 BRUTO godišnja proizvodnja električne energije MWh/god 4000,00 Sopstvena potrošnja električne energije MWh/god 280,00 NETO godišnja proizvodnja električne energije MWh/god 3720,00 BRUTO godišnja proizvodnja toplotne energije (od motora + hlađenje gasa) MWh/god 8001,9 NETO godišnja toplotna energija (sve od motora) MWh/god 4947,37 Potrošnja generatorskog gasa MWh/god 10526,32 BRUTO stepen korisnosti (bruto električna i toplotna energija) % 64,08 NETO stepen korisnosti (neto električna i toplotna energija) % 46,28 SJEČKA Vlažnost sirove sječke (W1) % 45 Vlažnost sušene sječke (W2) % 10 Mokri udio U1 0,8182 Mokri udio U2 0,1111 Donja toplotna moć drvne biomase (vlažne) MJ/kg 9,35 Donja toplotna moć drvne biomase (sušene) MJ/kg 16,86 Potrošnja sušene sječke kg/h 500,00 Masa suhe materije kg/h 450,00 Potrošnja vlažne sječke kg/h 818,18 Godišnja potrošnja sušene sječke t/god 4000,0 Energija sušene sječke MWh/a 18728,9 Godišnja potrošnja vlažne sječke t/god 6545,5 Masa vode koju treba odstraniti t/god 2545,5 Potrebna toplota za sušenje sječke (0.8-1.25 kwh/kgh2o) MWh/a 3054,5 EMISIJA CO2 Korekcioni faktor električne energije 2 Finalna energija MWh/a 8.667 61
Primarna energija MWh/a 12.387 Smanjenje emisije CO2 tco2/a 3.542 - Električna snaga gasnog motora je snaga koju taj motor daje na klemama priključenog generatora. - Električni stepen korisnosti je efikasnost transformacije ukupne energije goriva u električnu energiju. Taj podatak daje proizvođač i obično se kreće u granicama od 35 do 40%. - Stepen korisnosti kogenerativnog postrojenja definisan je na sljedeći način: η CHP = E e + E t E gor Gdje je: Ee proizvedena električna energija (MWh) Et proizvedena električna energija (MWh) Egor energija goriva-biomase (MWh) - Snaga generatorskog gasa je ukupna hemijska snaga generisanog gasa (opranog i očišćenog) koji se dovodi na ulaz gasnog motora (kw ili MW). - Toplotna snaga je toplotna snaga vode za hlađenje i produkata sagorijevanja koja se može korisno upotrijebiti ili prodati (kw ili MW). - Vlažnost sječke na ulazu (maseni udio). Toplotna moć sječke zavisi od vlažnosti i svakako utiče i na cijenu. Zato je veoma važno precizno definisati kolika je ulazna vlažnost, kako se mjeri i kako cijena zavisi od ove vlažnosti. - Vlažnost sječke nakon sušenja (maseni udio) propisuje proizvođač gasifikatora (reaktora). Stepen korisnosti reaktora i kvalitet gasa zavisi od te vlažnosti. - Cijena sječke na ulazu u postrojenje je ona cijena koja se plaća za isporučeni kvalitet sječke. Ako se koristi sopstvena sječka, onda se uzima srednja tržišna vrijednost sječke u okruženju. - Godišnji broj sati rada. Ovo je vrlo važan podatak. Treba dobro razmotriti mogućnost raspoloživosti sirovine kada se određuje godišnji broj sati rada jer je to osnovni uslov za rad postrojenja. Često se događa da sirovina nije dostupna u količini i po cijeni koja je pretpostavljena da bi se ostvarila profitabilnost. Za mali broj sati rada postrojenja godišnje (ispod 3000 h/a) vrlo teško je očekivati ekonomičnost investicije. - Bruto godišnja proizvodnja električne energije. Ova veličina se izračunava prema poznatom broju sati rada i prema odabranim snagama generatora. - Sopstvena potrošnja električne energije. Ovdje se samo izračunava ova potrošnja (pumpe, ventilatori, automatika, itd.) na osnovu procijenjenog procenta. - Bruto godišnja proizvodnja toplotne energije. Ovdje se izračunava proizvodnja TOPLOTNE energije. Dio ove energije se koristi za sušenje sječke. Ova potrošnja je promenljiva ali se treba računati da će vlažnost sirove sječke biti između 40 i 50%, što znači da će se značajan 62
dio toplotne energije utrošiti na sušenje. Preostali dio toplotne energije se može koristiti za druge potrebe (grijanje, hlađenje upotrebom apsorpcionih rashladnih mašina, itd.). - Potrošnja generatorskog gasa je određena njegovom toplotnom moći i stepenima korisnosti koje daje proizvođač. - Bruto stepen korisnosti. Ovaj stepen korisnosti je izračunat kao odnos zbira generisane BRUTO električne i BRUTO toplotne energije u gasnom motoru i generatoru i energije vlažne sječke. - Neto stepen korisnosti. Definisan je kao odnos zbira neto raspoložive električne energije i neto raspoložive toplotne energije i energije vlažne sječke. Na taj način je uzeta u obzir i efikasnost gasifikacionog procesa, prečišćavanja gasa i proizvodnja energije gasnim motorom, kao i energija potrebna za sušenje sječke. - Vlažnost sirove sječke (W1) i vlažnost sušene sječke (W2) su veličine koje se mjere i koje moraju biti precizno određene za tačno energetsko bilansiranje. - Mokri udio U1 i U2 se računski određuju. - Donja toplotna moć drvne biomase (sirove i sušene) se izračunava na osnovu empirijskih formula ili se mjere. - Potrošnja sušene sječke bazirana je da 1 kg/h sječke treba za svaki kw električne snage. To je iskustveni podatak, koji se može koristiti ako stvarna vrijednost nije dobivena od proizvođača opreme. - Masa suhe materije, Potrošnja sirove sječke, Godišnja potrošnja sušene sječke, Energija suhe sječke i Godišnja potrošnja sirove sječke se određuju proračunima. - Potrebna toplota za sušenje sječke. Određivanje ove vrijednosti je vrlo složen postupak, ali je u ovoj fazi proračuna dovoljna njena procjena na osnovu iskustvene specifične potrošnje toplotne energije od 0,8 do 1,25 kwh/kgh2o. Ona, na primjer, zavisi od granulacije sječke, vrste drveta, upotrebljenog postupka sušenja, temperature vrelog ili toplog zraka itd. Pomoću specifične potrošnje toplotne energije i početne i konačne vlažnosti sječke se izračunava potrošnja toplotne energije. Početna vlažnost je obično 40-50% a konačna vlažnost je obično 10%. U sljedećim tabelama prikazani su ekonomski i finansijski parametri projekta. Specifična investicija ovog projekta je 4.846 EUR/kWe. Veliki je broj parametara koji utiču na isplativost projekta pa treba svaki od njih pažljivo analizirati u cilju nalaženja optimalnih vrijednosti. Na primjer, visina kredita i kamatna stopa može presudno uticati na isplativost. Ponuđeni softver može da posluži upravo u takvim analizama kada treba procijeniti osnovne i najveće uticajne faktore na analizirani projekt. 63
Tabela 8.4 Struktura investicija u gasifikaciono kogenerativno postrojenje Specifična investicija EUR/kWe 4.846 TROSKOVI Projektna dokumentacija EUR 110.000 Pribavljanje dozvola i saglasnosti EUR 110.000 Građevinski radovi EUR 110.000 Sistem za transport i sušenje biomase EUR 330.000 Uređaj za doziranje biomase EUR 110.000 Pirolitički reaktor EUR 275.000 Oprema za prečišćavanje generatorskog gasa EUR 165.000 Gasni motor i generator EUR 220.000 Dimnjak EUR 55.000 Elektro radovi EUR 110.000 Mašinski radovi EUR 110.000 Sistem za kontrolu i nadzor EUR 11.000 Priključak na elektrodistribucionu mrežu EUR 35.000 Priključak na toplovodnu mrežu EUR 55.000 Nadzor EUR 55.000 Puštanje u rad, garantni test i trening osoblja EUR 100.000 Nepredviđeni troškovi EUR 110.000 Ukupna investicija (sa PDV) EUR 2.423.070 PDV EUR 411.922 - Ukupna investicija (sa i bez PDV). Kada je odabrana tehnologija treba izračunati profitabilnost projekta i sagledati finansijske elemente. U prikazanoj tabeli je data dosta detaljna lista mogućih troškova, ali sigurno nije i konačna. Ipak treba što detaljnije specificirati troškove da bi se mogla obaviti analiza njihovih uticaja. - Plate i administracija, Energetski i finansijski efekti rada postrojenja, O&M troškovi, finansijski uslovi (izračunavaju se godišnji troškovi kredita). Na kraju ove analize određuje se a) UKUPNI GODIŠNJI PRIHOD, b) UKUPNI GODIŠNJI RASHOD, i c) NETO ZARADA. 64
Tabela 8.5 Pregled prihoda i rashoda Ukupno plate i administracija EUR/god 32.000 Broj zaposlenih radnika osoba 4 Prosečna bruto plata EUR/god 8.000 O&M troškovi EUR/god 72.692 Troškovi goriva EUR/god 229.091 Potrošnja drvne sječke t/god 6.545 Jedinična cijena sječke (sa transportom) EUR/t 35 TROŠAK RADA POMOĆNIH UREĐAJA Cijena električne energije EUR/kWh 0,0500 Trošak rada pomoćnih uređaja EUR/a 14.000 Energetski i finansijski efekti rada postrojenja BRUTO ELEKTRIČNA energije (sva proizv. MWh/god 4.000 el. energija po FiT) Jedinična cijena električne energije u EUR/kWh 0,12320 prodaji Prihod od prodaje električne energije EUR/god 492.800 Jedinična cijena toplotne energije EUR/MWh 27,00 TOPLOTNA energija za prodaju MWh/god 4.947 Prihod od prodaje toplotne energije EUR/god 133.579 UKUPNI GODIŠNJI PRIHOD EUR/god 626.379 UKUPNI GODIŠNJI RASHOD EUR/god 347.783 NETO ZARADA EUR/god 278.596 Prost period otplate god 8,7 65
Kada se obavi analiza svih energetskih parametara, može se pristupiti izračunavanju osnovnih ekonomskih parametara: Neto sadašnja vrijednost novca (NPV) i Interna stopa povrata (IRR). U tabeli koja slijedi dat je prikaz proračuna NPV i IRR. Proračun je rađen za usvojenu realnu diskontnu stopu na period od 12 godina. Tabela 8.6 Osnovni ekonomski parametri Udio kredita u investiciji % 70 Period otplate kredita Godina 10 Kamatna stopa % 6 Vrijednost kredita EUR 1.696.149 Godišnja rata kredita /a -217.408 Nominalna diskontna stopa % 7,50 Inflacija % 2,00 Realna diskontna stopa % 5,39 NPV (12) EUR -7.137 IRR (12) % 5,3 Negativna vrijednost NPV znači da ostvarena kamata na investiciju (IRR) manja od usvojene realne diskontne stope. 66
9 DIREKTNO SAGORIJEVANJE SA ORGANSKIM RANKINOVIM CIKLUSOM (ORC) Organski Rankinov ciklus (ORC), za razliku od parnih, ne koristi vodu (vodenu paru) kao radni fluid, već obično organske ugljovodonike. Naziv ORGANSKI CIKLUS je samo marketinški koncept i ne uslovljava korištenje samo organskih materija u Rankinovom ciklusu, mada se one najčešće koriste. Za razliku od parnog (Rankinovog) ciklusa, u ORC postrojenju se koristi i posredni fluid - termička ulja (silikonska ulja) koja se griju na temperature od oko 300 o C. Tako zagrijano ulje se vodi u dvostepeni isparivač, gdje se njegova toplota odvodi u sekundarni krug u kome se isparava radni fluid. Dobivena para radnog fluida se nakon toga vodi u turbinu, koja je direktno spojena sa generatorom električne energije. Nakon hlađenja, pare odlaze u kondenzator, gdje se toplota kondenzacije prenosi vodi. Ova voda se može iskoristiti na brojne načine, npr. za grijanje, potrošnu toplu vodu pranje ili za neki tehnološki proces. 9.1 Prednosti ORC turbina Nа оsnоvu analize i uvida u mnoge studije, iskustva projektanata, proizvođača i operatera ORC postrojenja za proizvodnju električne energije data je lista argumenata koje treba uzeti u оbzir kаdа sе donosi odluka o tehnologiji koja će se odabrati. Ovdje su dati pretežno tehnički faktori, ali ovakva analiza je tek prva od onih koje slijede i koje treba uključiti u invеsticiоni plаn i plan оdržаvаnjа i еksplоаtаciје i ekonomske i finansijske analize. Sljedeći argumenti idu u prilog korištenja ORC tehnologije u odnosu na klasično parno-turbinsko postrojenje. - Vеćinа оrgаnskih tеčnоsti kоје sе kоristе u ОRC pоstrојеnjima nе zаhtijеvајu prеgrijavаnje. Vаžni fаktоri u ukupnim trоškоvimа instаlаciје su dizајn i dimеnziје izmjеnjivаčа tоplоtе (tј. ispаrivаča i prеgriјаčа) zа regeneraciju оtpаdnе tоplоtе. Dimenzije pregrijača su оbičnо vеlike zbоg lošeg prеnоsа tоplоtе gasovitog medija pо јеdinici pоvršinе. - Izentropska efikasnost turbinе veoma zavisi od njene snage. U principu, ORC turbine imaju veću efikasnost pri malim snagama od parnih turbine istih snaga. - Nеmа pripreme i kontrole vode u kotlu, - Instаlаciја је mаnjе kоmplеksna od parne instalacije, štо је pоžеlјnо kаdа se radi o greenfield investicijama ili kada ne postoji distributivna parna mreža, - Тrоškоvi оdržаvаnjа su niski, a raspoloživost postrojenja velika, - Rukovanje postrojenjem je jednostavno i obično se svodi na On/Off postupak, - Efikasnost postrojenja pri djelimičnom opterećenju je visoka, - Pritisak u sistemu je mnogo manji nego kod parnog sistema, pa je i regulativa vezana za bezbijednost manje stroga, - Nije potrebna visoko kvalifikovana radna snaga za upravljanje postrojenjem, - Na raspolaganju su i vrlo male električne snage turbine. 67
U prilog parnih ciklusa u odnosu na ORC treba uzeti sljedeće argumente: - Vоdа kао rаdni fluid је јеftina, dоk ОRC fluid može biti vrlo skup ili mu je upotreba ograničena iz razloga koji se tiču životne sredine. - Odnоs snаge/tоplоtе koji je vrlo raznolik i promjenljiv kod parno-turbinskog postrojenja daje mogućnost odličnog usklađivanja potreba električne i toplotne enrgije u kogeneracionim postrojenjima. - Dirеktna upotreba vodene pare u turbini i kotlu eliminiše potrebu posrednog fluida kakvo je termičko ulje. Organski fluidi kao što je n-pentan ili toluen omogućavaju upotrebu nisko-temperaturskog toplotnog izvora (čak i 70-90 o C). Efikasnost ovog ciklusa je niža od parnog, jer su temperature niže, ali se ovo nadoknađuje nižim troškovima proizvodnje toplote na niskim temperaturama. Alternativno mogu se koristiti i fluidi čija je temperatura ključanja iznad temperature ključanja vode i na taj način ostvariti termodinamički pozitivne efekte (živa). Karakteristike nekih radnih fluida ovih ciklusa su dati u tabeli 10. Nema posebne termodinamičke, tehničke ili ekonomske prednosti određenih tečnosti. Proizvođači opreme za ORC postrojenja razvijaju individualne tehnička rješenja prilagođena bilo kojoj ORC tečnosti. Fluid Tabela 9.1 Radne materije Rankinovog ciklusa Formula/ ime Molekulska masa kg/mol T krit C p krit bar Temperatura ključanja C Toplota isparavanja kj/kg Voda H2O 0,018 373,95 220,64 100,0 2257,5 Toluen C7H8 0,092 318,65 41,06 110,7 365,0 R245fa C3H3F5 0,134 154,05 36,40 14,8 195,6 n-pentan C5H12 0,072 196,55 33,68 36,2 361,8 ciklopentan C5H10 0,070 238,55 45,10 49,4 391,7 Solkatherm (azeotropna smješa) solkatherm 0,185 177,55 28,49 35,5 138,1 OMTS (OCTAMETHYLTRISILOXANE) MDM 0,237 290,98 14,15 152,7 153,0 HMDS (HEXAMETHYLDISILOXANE) MM 0,162 245,51 19,51 100,4 195,8 Živa Hg 200,59 (atomska masa) 356,7 Neke materije karakteriše negativan nagib linije zasićene pare (gornje granične linije) u T-s dijagramu (Tabela 10(A)). Izentropska ekspanzija takvih fluida završava u vlažnom području (tačka 2iz), što značajno umanjuje stepen korisnosti takvih procesa. Relano proces ekspanzije završava u tački 2, koja može, ali ne mora, da bude u pregrijanom području (desno od linije zasićenja). Materije koje se koriste u ORC ciklusima biraju se tako da imaju pozitivan nagib linije zasićenja pare. Kod takvih fluida ekspanzija uvijek završava u pregrijanom području, što je za rad same turbine povoljnije 68
u odnosu na rad u vlažnom području. Kod turbina koje koriste vodenu paru se ovaj nedostatak prevazilazi pregrijavanjem pare visokog pritiska tako da i izentropska ekspanzija završi u pregrijanom području. Temperatura Kritična tačka pmax pmin 1 2iz p=konst. 2 Linija zasićene pare p=konst. Temperatura Kritična tačka pmin pmax Linija zasićene pare 1 2 2iz p=konst. p=konst. Entropija Entropija (A) (B) 9.2 Opis postrojenja Slika 9.1 T-s dijagram za vodu (A) i tipične ORC fluide (B) Na slici 11 je šematski prikazano jedno ORC postrojenje. Odmah se uočava ORC modul kao zasebna cjelina postrojenja. Unutar te cjeline nalazi se ORC turbina i generator. Vrlo karakterističan uređaj ORC ciklusa je i regenerator, kojim se predgrijava ORC fluid nakon kondenzacije, a prije ulaska u isparivač. U drugom cirkulacionom krug nalazi se termičko ulje u kome se postižu temperature oko 300 o C. Zagrijavanje ulja se obavlja u kotlu na biomasu. Za zagrijavanje zraka za sagorijevanje biomase koriste se produkti sagorijevanja (predgrijač zraka). Produkti sagorijevanja se u ekonomajzeru koriste za pripremu tople vode koja može da se koristi za potrebe grijanja. Poseban cirkulacioni krug termičkog ulja koristi se za pripremu vrele vode za potrebe procesa. Ova toplotna energija i topla voda iz kondenzatora i ekonomajzera su korisne toplote koje su, pored električne energije, proizvod ovoga ORC postrojenja. 69
Slika 9.2 Generalna šema ORC postrojenja Na slici 12 prikazani su nadkritični i podkritični ORC ciklusi. 70
Slika 9.3 Prikaz ORC ciklusa u T-s dijagramu Detalje vezane za proračun i rad tipičnog industrijskog ORC postrojenja biće prikazane na primjeru koji slijedi. 9.3 Primjer Kompanija A proizvodi laminirane ploče od drveta. Od ove proizvodnje ostaje velika količina drvnog otpada, koji se samo djelimično koristi za zadovoljenje toplotnih potreba. Kompanija A osniva Kompaniju B radi potpunog iskorištenja otpada za proizvodnju električne i toplotne energije. Planira se i dodatna kupovina drvnog otpada od drugih kompanija iz okruženja. Kako je proizvodnja električne energije subvencionirana kroz garantovanu otkupnu cijenu, opredjeljenje kompanije je da maksimalno proizvodi električnu energiju, predaje u mrežu i ostvari dodatni prihod. Garantovana otkupna cijena električne energije za kogeneraciona postrojenja koja koriste drvni otpad jeste 0,123 EUR/kWh. U BiH trenutno ne postoji dodatni podsticaj da se uz električnu energiju proizvodi korisna toplotna energije (kogeneracija) ali u drugim zemljama postoji. U Hrvatskoj ako se postigne godišnja efikasnost kogenerativnog postrojenja veća od 50%, ostvaruje se uslov za povećanje garantovane otkupne cijene isporučene električne energije od 20%. Kompanije rade 6.144 sati godišnje u tri smjene (256 dana godišnje). Planirana potrošnja toplotne energije iznosi 12.201 MWh/a. Planira se maksimalna proizvodnja električne energije, što podrazumijeva da se višak toplotne energije, ukoliko se pojavi, odbaci u zrakom hlađenom kondenzatoru. Na slici 13 prikazana je izmjerena mjesečna potrošnja toplotne energije. Ta potrošnja zadovoljava potrebe procesa i grijanja u zimskom periodu. 71
Slika 9.4 Mjesečna potrošnja toplotne energije Tehnički podaci planiranog ORC kogenerativnog postrojenja su prikazani u tabeli 11. Tabela 9.2 Tehnički podaci kogenerativnog ORC postrojenja Br. Naziv Jedinica Vrijednost 1. Nominalna električna snaga kw 740 2. Sopstvena potrošnja kw 37 3. Nominalna toplotna snaga kw 3.102 4. Nominalna toplotna snaga zračnog kondenzatora kw 1.500 5. Proizvodnja električne energije MWh/a 4.547 7. Toplota isporučena Kompaniji A i predata kondenzatoru MWh/a 19.056 8. Hemijska energija biomase MWh/a 31.623 9. Potrošnja biomase (Hd=2,6 kwh/kg) t/a 12.162 Struktura podataka prikazanih u tabeli 11 ukazuje da oni nisu svi međusobno nezavisni i da su mnogi od njih određeni računski. Tako na primjer, posebno važan podatak je godišnja efikasnost cijelog postrojenja. Za to izračunavanje potrebno je prije svega poznavati mjesečna opterećenja kako toplotne tako i električne energije (slično kako je to urađeno kod parnog postrojenja). Iz takvog dijagrama bi trebalo da se odredi kolika je godišnja potrošnja toplotne energije, to jest one toplote koja se troši u procesu. U ovoj fazi proračuna treba odabrati i snagu ORC postrojenja, a zatim, prema mjesečnim potrošnjama toplotne energije, odrediti kolika je moguća proizvodnja električne energije i kolika je potrošnja biomase. Moguće je poći i od proizvodnje električne energije, pa nakon usvojenih mjesečnih vrijednosti da se izračuna kolika je proizvodnja toplotne energije (Slika 9.5). 72
Slika 9.5 Mjesečne proizvodnje toplotne i električne energije Očigledno je da je mjesečna proizvodnja toplotne energije veća od potrebne i da njen višak treba odbaciti u kondenzatoru. Ovakva organizacija proizvodnje omogućava maksimalnu proizvodnju električne energije. U februaru je njena proizvodnja manja jer je manji broj dana rada postrojenja, a u avgustu je vršen planirani remont i smanjene su aktivnosti u kompaniji zbog godišnjih odmora. Na slici 15 prikazane su mjesečne efikasnosti i srednja godišnja efikasnost kogenerativnog postrojenja, koja iznosi 50,2%. Mjesečne efikasnosti su različite i kreću se u opsegu od 37,3 do 79,9%. Slika 9.6 Mjesečne i srednja godišnja efikasnost kogenerativnog postrojenja Inače strategija kompanije koja namjerava da gradi i eksploatiše kogenerativno postrojenje je uvijek povezana sa raspoloživim subvencijama. Najčešća subvencija je za proizvedenu električnu energiju preko garantovane otkupne cijene (Feed-in Tariff). Na slici 16 prikazan je kotao za sagorijevanje biomase i zagrijavanje termičkog ulja. Snaga kotla iznosi 4 MW, a temperatura termičkog ulja 320 o C. Kako kompanija B namjerava da kupuje biomasu i od 73
drugih firmi iz okruženja, jasna je njena orijentacija na maksimalnu proizvodnju električne energije u cilju povećanja prihoda. Slika 9.7 Kotao za termičko ulje temperature 320 C (4 MW) Od kompanije A preuzima se biomasa. Proračun će pokazati da je ova cijena jedan od najvažnijih parametara za procjenu profitabilnosti postrojenja. Niska vrijednost biomase iz kompanije A stvar je internog dogovora kompanija iste vlasničke strukture i očigledno je znatno manja od tržišne cijene. To ukazuje na veliki značaj korištenja sopstvene biomase. To je veoma važno naglasiti jer se odnosi i na druga postrojenja, pa se može reći da je jedan od osnovnih principa profitabilnosti ovakvih projekta upravo korištenje sopstvene biomase. Na slici 17 prikazan je sklop ORC modula. Postrojenje se obično se isporučuju u dijelovima (komponentama) koji su fabrički testirani. Slika 9.8 Izgled ORC modula 74
Pojedinačne stavke investicije ovog postrojenja date su u sljedećoj tabeli. Posebno treba analizirati strukturu troškova. Po prikazanoj strukturi specifična cijena ove investicije je 5.905 EUR po kw instalisane električne snage. Pojedini od pobrojanih troškova mogu biti drugačiji (manji ili veći) i značajno izmijeniti sliku o cijelom projektu. Pored toga veliki uticaj na rezultat ima i cijena prodate električne energije, cijena prodate toplotne energije, a posebno cijena biomase. Tabela 9.3 Struktura investicionih troškova Specifična investicija EUR/kWe 5.905 Zemljište EUR 650.000 Projektna dokumentacija, dozvola i saglasnosti EUR 100.000 Građevinski radovi EUR 350.000 Kotao za grijanje termičkog ulja na biomasu EUR 1.500.000 Uređaj za doziranje biomase EUR 50.000 Oprema za prečišćavanje produkata sagorijevanja EUR 100.000 ORC modul EUR 1.200.000 Zrakom hlađeni kondenzator EUR 40.000 Priključak na elektrodistribucionu mrežu EUR 250.000 Mašinski radovi EUR 30.000 Sistem za kontrolu i nadzor EUR 35.000 Nadzor EUR 5.000 Puštanje u rad, garantni test i trening osoblja EUR 25.000 Nepredviđeni troškovi EUR 50.000 Ukupna investicija (sa PDV) EUR 4.369.950 PDV EUR 742.892 Blok šema postrojenja sa relevantnim parametrima i efikasnostima korištenim u proračunu, prikazana je na slici 18. 75
Godišnji broj sati rada postrojenja 6144 h/a 37 kw Sopstvena potrošnja 4.135,3 kw 25.407 MWh/a ORC 703 kw 4319 MWh/a Električna energija 5.301,7 kw 31.623 MWh/a BIOMASA KOTAO termičkog ulja K 0,78 0,17 E 0,75 E Toplotna energija Potrošač toplotne energije 3.101,5 kw 19,056 MWh/a Kondenzator (po potrebi) Slika 9.9 Šema ORC modula 9.3.1 REZULTATI PRORAČUNA Unosom prethodnih podataka u softver koji je sastavni dio ovog teksta dobivaju se rezultati prikazani u sljedećoj tabeli. Prost period povrata je 9,6 godina, što je previše dug period za veliku investiciju. Ovim programom se može analizirati veliki broj uticajnih faktora sa ciljem da se obavi pouzdana procjena i odabere optimalno rješenje. Tabela 9.4 Pregled prihoda i rashoda O&M troškovi (1-5% od investicije ) EUR/god 131.099 Ukupno plate i administracija EUR/god 32.000 Broj zaposlenih radnika osoba 4 Prosječna bruto plata EUR/god 8.000 Troškovi goriva EUR/god 443.192 Potrošnja drvne sječke t/god 12.663 Jedinična cijena sječke (sa transportom) EUR/t 35 TROŠAK RADA POMOĆNIH UREĐAJA Cijena električne energije EUR/kWh 0,0500 Trošak rada pomoćnih uređaja EUR/a 11.366 Energetski i finansijski efekti rada postrojenja BRUTO ELEKTRIČNA energije (sva proizv. el. energija po FiT) MWh/god 4.547 76
Jedinična cijena električne energije u prodaji EUR/kWh 0,1232 Prihod od prodaje električne energije EUR/god 560.136 Jedinična cijena toplotne energije EUR/MWh 27,00 TOPLOTNA energija za prodaju MWh/god 19.059 Prihod od prodaje toplotne energije EUR/god 514.585 UKUPNI GODIŠNJI PRIHOD EUR/god 1.074.721 UKUPNI GODIŠNJI RASHOD EUR/god 617.657 NETO ZARADA EUR/god 457.064 Prost period otplate god 9,6 Kada se obavi analiza svih energetskih parametara, može se pristupiti izračunavanju osnovnih ekonomskih parametara: Neto sadašnja vrijednost novca (NPV) i Interna stopa povrata (IRR). U tabeli koja slijedi dat je prikaz proračuna NPV i IRR. Proračun je rađen za usvojenu realnu diskontnu stopu na period od 12 godina. Tabela 9.5 Osnovni ekonomski parametri Finansijski uslovi Udio kredita u investiciji % 70 Period otplate kredita Godina 10 Kamatna stopa % 6 Vrijednost kredita EUR 3.058.965 Godišnja troškovi kredita /a -392.090 Nominalna diskontna stopa % 7,50 Inflacija % 2,00 Realna diskontna stopa % 5,39 NPV (12) EUR -401.148 IRR (12) % 3,6% 77
10 PROIZVODNJA BIOGASA I GASNI MOTORI Biogas predstavlja mješavinu različitih gasova koji su nastali raspadanjem organske materije u odsustvu kisika. Biogas se može proizvoditi iz biorazgradivog dijela proizvoda, otpada i ostataka iz poljoprivrede i biorazgradivi udio industrijskog i komunalnog otpada. To je obnovljivi izvor energije, čijim korištenjem se smanjuje globalno zagrijavanje sprečavanjem emisije stakleničkog gasa metana u atmosferu. 10.1 Proces proizvodnje biogasa Proizvodnja biogasa se obavlja u zatvorenim izolovanim rezervoarima bez prisustva kiseonika. Takvi rezervoari se nazivaju digestori. Odsustvo kiseonika je jedan od uslova željenog procesa anaerobne digestije. Pored tog uslova, mora da se obezbijedi i odgovarajuća temperatura i dobro miješanje sadržaja digestora. U zavisnosti od temperature, razlikujemo dva anaerobna procesa digestije: mezofilni i termofilni. Mezofilni proces karakteriše temperatura procesa od 20 do 40 o C, a tehničko vrijeme vrenja, uz razgradnju 90% organske materije, iznosi 30 dana. To je i najrasprostranjeniji proces jer ga karakteriše umjerena potrošnja toplotne energije i zadovoljavajuća proizvodnja biogasa, a da je pri tome moguće ostvariti dobru kontrolu razgradnje materije. Termofilni proces odvija se na srazmerno višim temperaturama (od 50 do 60 o C), a tehničko vrijeme vrenja, uz razgradnju 90% organskog materijala, iznosi 10 dana. Iako je brzina razgradnje vrlo velika, ipak je veliki nedostatak ove metode relativno velika potrošnja toplotne energije za njeno odvijanje. Sirovina koja se koristi za anaerobnu digestiju biomase, je biorazgradiv dio proizvoda, otpada i ostataka biološkog porijekla iz poljoprivrede (biljnog i životinjskog porijekla), i s njima povezanih proizvodnih djelatnosti uključujući ribarstvo i akvakulturu i biorazgradiv udio industrijskog i komunalnog otpada. Drvni otpad, uprkos tome što je biorazgradiv, ima visok sadržaj lignina koji usporava hidrolizu i zato se ne koristiti kao sirovina u anaerobnim digestorima. Miješanjem različitih vrsta sirovine, na primjer stajnjaka i organskog industrijskog otpada, može se dobiti veći prinos biogasa, a tako stvorene, lako razgradive materije mogu dodatno stabilizovati anaerobnu digestiju. Zato je korisno dodati poljoprivredni otpad (slama, kukuruzovina) u fazi raspadanja, kao bi se povećao efekt bakterijskog djelovanja. Anaerobna digestija biomase podrazumijeva bakterijsku razgradnju i odvija se u četiri faze: Hidroliza Acidogeneza Acetogeneza Metanogeneza 78
Pojednostavljena hemijska jednačina anaerobne digestije je: (C 6 H 10 O 4 ) x + 3 2 H 2O (C 6 H 10 O 4 ) x 1 + 13 4 CH 4 + 11 4 CO 2 Organski materijal + voda Digestat+ metan + ugljen-dioksid Tokom hidrolize enzimi razlažu velike molekule tako da one mogu da prođu kroz membrane bakterija koje dalje razlažu kompleksna jedinjenja. U ovoj fazi se čvrsti organski kompleksi, proteini, masti, celuloza, razlažu se na aminokiseline, šećere i masne kiseline. U drugoj fazi, acidogenezi, proizvodi hidrolize se pretvaraju u isparljive kiseline, ketone, alkohole, vodonik i ugljen-dioksid. Vodonik, ugljen-dioksid i sirćetna kiselina će preskočiti treću fazu, acetogenezu i biće korištene u zadnjoj fazi metanogenezi. U trećoj fazi, poznatoj kao acetogeneza, acetogene bakterije pretvaraju dio proizvoda acidogeneze u vodonik, ugljen-dioksid i sirćetnu kiselinu. U posljednjoj fazi metanogene bakterije proizvode metan iz vodonika, ugljen-dioksida i sirćetne kiseline). Jedan od osnovnih parametara anaerobne digestije je temperatura na kojoj se odvija proces. Pored već pomenuta dva procesa (mezofilni i termofilni) postoji i psihrofilni proces, za koji je karateristična temperatura procesa od 10 do 20 o C, pri čemu tehničko vrijeme razgradnje 90% organske materije iznosi 90 dana. Proces je pogodan za zemlje toplog klimatskog područja, ali se u našim klimatskim uslovima rijetko koristi i neće se više razmatrati. 10.2 Uticajni faktori proizvodnje biogasa U tehnološkom procesu proizvodnje biogasa potrebno je ostvariti visok stepen razgradnje organske materije, uz zadovoljavajući kvalitet i prinos. Faktori koji utiču na to su: veličina i vrsta ulazne sirovine, pritisak u digestoru, ph vrijednost, temperatura, vrijeme zadržavanja, nivo punjenja, hemijski sastava supstrata i toksičnost. Vrsta ulazne sirovine Anaerobna digestija čvrstih bioloških materija je praćena dugim vremenom zadržavanja (20-30 dana) i razgradnjom organskih materija od svega 30 do 50%. Ovi nedostaci se donose uglavnom na prvu fazu procesa (hidrolizu), tako da je ova faza i ograničavajući faktor primjene ovog tipa supstrata. Dodavanjem aditiva može da se poveća prinos biogasa, ali treba obavezno razmotriti i povećanje troškova zbog upotrebe aditiva. Veličina ulazne sirovine Organski materijal koji se unosi u digestor treba da bude što sitniji, čime se površina koja učestvuje u procesu značajno povećava za istu zapreminu materijala i time povećava brzina digestije. 79
Pritisak u digestoru Pritisak biogasa u digestoru zavisi od pritiska biogasa koji se isporučuje krajnjim korisnicima i neizbježnim gubicima pritiska u cjevovodu. Uobičajene vrijednosti nadpritiska u digestoru su od 2,5 do 4,0 kpa (25 40 mbar) iznad atmosferskog pritiska. ph vrijednost Bakterijama koje stvaraju metan najviše odgovara neutralna ili blago alkalna sredinama. U stabilnom stanju procesa fermentacije ph vrijednost je između 7 i 8. Za vrijeme procesa anaerobnog truljenja, zavisno od faze, kiselost se mijenja u granicama od 5,5 do 8,2 ph. Atmosfera bez kiseonika je osnovni uslov za postizanje procesa anaerobnog vrenja (digestije), jer se metanske bakterije mogu razvijati i biti aktivne samo u takvom okruženju. U samom početku rada digestora proces je aeroban (razmnožavaju se aerobne bakterije koje troše kiseonik), a kad se kiseonik potroši, počinje proces anaerobnog vrenja. Temperatura Anaerobna digestija se obavlja pri temperaturama od 30 o C do 60 o C. Optimalna temperatura anaerobne digestije je 35ºC, i nalazi se u mezofilnom opsegu. Treba izbjegavati nagle promjene temperature anaerobne digestije. Ta promjena ne smije biti veća od 1 o C na sat. Vrijeme zadržavanja materije Vrijeme zadržavanja materije u digestoru zavisi od procesa anaerobnog vrenja, ali i od konstrukcije digestora i od vrste materijala i njegove temperature. Ukoliko je vrijeme zadržavanja kratko, bakterije ne stižu da se razmnožavaju onom brzinom koja donosi dovoljnu količinu metana. Ako je vrijeme zadržavanja dugo, onda je takođe slab prinos metana na kraju procesa pa je samim tim proces neisplativ. Na slici 11 prikazan je prinos gasa šaržnog punjenja digestora u zavisnosti od vremena zadržavanja. U prvih 30 dana prikazanog procesa oslobodi se čak 86% metana, da bi u narednih još 30 dana bilo generisano još preostalih 14%. Međutim, u toku svih 60 dana se mora održavati temperature i miješati smjesa. 80
Slika 10.1 Prinos gasa u zavisnosti od vremena zadržavanja Nivo punjenja Količina sirovine (supstrata) koja se dodaje u toku dana po jedinici zapremine digestora je ograničena. Prevelika količina može da rezultira prevelikom količinom generisanog acetata, što će ugušiti proizvodnju biogasa. Optimalnu vrijednost je teško odrediti jer zavisi i od drugih parametara, ali je moguće na osnovu eksperimenta. Na primjer, dnevni unos za kravlji izmet iznosi oko 6 kg po 1 m 3 digestora. Hemijski sastav supstrata Proizvodnja biogasa zavisi i od hemijskog sastava supstrata. Mikroorganizmi digestije, pored organskih materija, traže i mineralne materije kao što su ugljenik, kiseonik, vodonik, fosfor, sumpor, kalijum, kalcijum i magnezijum. Bakterije oko 30 puta brže troše ugljenik, nego azot i za stabilan proces proizvodnje biogasa važan je i odnos ugljenika i azota (C/N). Optimalan odnos C/N je od 20 do 30. Veći odnos od ovoga dovodi do smanjenja proizvodnje biogasa, a manji dovodi do porasta sadržaja amonijaka u digestoru, što ima toksičan efekt na metanske bakterija. Male količine mineralnih jona pospješuju razvoj bakterija, dok visoka koncentracija jona djeluje toksično. Miješanje Miješanje supstrata tokom anaerobne digestije stvara uslove dobrog kontakta organskih materija i aktivne biomase, omogućava ujednačene temperature u digestoru, omogućava oslobađanje gasne faze iz sirovine i sprečava njeno raslojavanje. Miješanje se obavlja nekoliko puta dnevno uz potrošnju energije od 10 do 100 Wh po m 3 supstrata. Postupci miješanja su različiti, od upotrebe mješalica do pumpnog pretakanja sadržaja digestora. Stvaranje mjehurova uzrokuje prirodno miješanje sadržaja, ali to nije dovoljno za postizanje optimalnih uslova proizvodnje metana u digestoru. Metanske 81
bakterije su slabo pokretne, ali se pri tome brzo razmnožavaju. To zahtijeva miješanje sadržaja digestora čime se podstiče proces, sprečava neželjeno taloženje i stvaranje kore na površini. Udio vode U svakoj od faza anaerobog vrenja, posebno u fazi hidrolize, važno je prisustvo vode. Ako vode nema u dovoljnoj količini, aktivnost metanskih bakterija se usporava, a u slučaju da je vode previše, takođe se usporava aktivnost metanskih bakterija. Zavisno od vrste organskih materija, potreban udio suhe materije u odnosu na ukupnu masu je od 6,5 do 12%. 10.3 Prinos biogasa različitih organskih materijala Različiti organski materijali koji se podvrgavaju anaerobnom truljenju daju različite prinose biogasa. Razlog je razlika u strukturi materije. U tabeli 11 dati su podaci o prinosu biogasa za različite vrste domaćih životinja. Kvalitet i količina biogasa umnogome zavise i od mikroorganizama, koji se koriste u procesu. Prinosi su veći kada se primjenjuju adaptirane prirodne kulture, nego u slučajevima kada se koriste nativne kulture koju nosi sama materija, koja se unosi u digestor. Tabela 10.1 Svojstva i prinos biogasa iz stajnjaka domaćih životinja Vrsta domaće životinje Prosječan dnevni priliv tečnog stajnjaka pri prosječnom udjelu OSM* oko 11%,kg/d po SJ Udio OSM u tekućem stajnjaku Prosječan udio N2 u OSM stajnjaka, % Odnos C prema N2 u OSM stajnjaka, % Prinos biogasa u odnosu na količinu OSM, m 3 /(kg d) Prosječan prinos biogasa, m 3 /d po SJ % kg/dan po SJ min-max prosjek Krave (muzare) 45 10,5 4,7 1,7-6,0 (17-25):1 0,18-0,33 0,255 0,846-1,551 Goveda u tovu 29 11,0 3,2 1,7-6,0 (17-25):1 0,16-0,32 0,240 0,512-1,024 Rasplodne krmače 30 12,0 3,6 3,8 (6-12):1 0,34-0,66 0,445 1,224-1,980 Svinje u tovu 26 11,54 3,0 3,8 (6-12,5):1 0,30-0,55 0,425 0,900-3,968 Kokoške nosilje 58 11,03 6,4 6,0-6,5 (7-15):1 0,31-0,62 0,465 1,984-3,968 Pilići brojleri 48 10,62 5,1 6,3 15:1 0,30-0,56 0,430 1,530-2,856 Ovce 28 11,07 3,1 3,8 33:1 0,09-0,31 0,200 0,279-0,961 Konji 32 10,94 3,5 2,3 25:1 0,20-0,30 0,250 0,700-1,050 * OSM organska suha materija SJ stočna jedinica (pošto su životinje različitih masa, uvodi se jedinstvena mjera koja se označava sa SJ) Koeficijent stočnih jedinica (Tabela 10.2) koristi se da bi se stvarni broj životinja zamijenio sa virtuelnim brojem koji je uporediv za različite vrste životinja. Tako 100.000 brojlera jeste 0,007 100.000=700 SJ. Treba zapaziti da je za muzare krave i muška goveda starosti dvije i više godina SJ = 1. Treba imati u vidu da na osnovu procjene potencijala sirovine treba da se projektuje i izgradi postrojenje. 82
Tabela 10.2 Koeficijenti stočnih jedinica* Mlađa od 1 godine 0,400 Starosti od 1 do 2 godine 0,700 Goveda Muška goveda, starosti dvije godine i više 1,000 Junice, starosti dvije godine i više 0,800 Muzne krave 1,000 Ostale krave, starosti dvije godine i više 0,800 Ovce i koze 0,100 Kopitari 0,800 Prasići težine žive vage ispod 20 kg 0,027 Svinje Rasplodne krmače, težine 50 kg i više 0,500 Ostale svinje 0,300 Brojleri (tovljeni pilići) 0,007 Perad Kokoši nosilice 0,014 Nojevi 0,350 Ostala perad 0,030 Zečevi, rasplodne ženke 0,020 *Preuzeto iz uredbe Evropske komisije (120/2009) Na sljedećem primjeru će se ilustrovati način određivanja prinosa biogasa. Za proizvodnju 225.000 kg žive vage godišnje brojlera, koji su prosječne težine 2,25 kg po komadu, potrebno je 225.000/2,25 = 100.000 kom/a. Koristeći podatke iz tabele 12 slijedi da je koeficijent stočnih jedinica za brojlere 0,007. To znači da je proizvodnja broja stočnih jedinica jednaka 100.000 0,007 = 700 SJ/a. Iz tabele 11 slijedi da dnevni prinos biogasa po SJ u slučaju brojlera iznosi od 1,530 do 2,856 m 3 /(d SJ). Udio OSM u tečnom stajnjaku je 10,62%. Ponuđeni raspon prinosa gasa je vrlo velik, što važi i za druge životinje u tabeli, i to pokazuje veliku razliku koja se dobiva prilikom procjene potencijala sirovine koja se koristi. Sada je prinos gasa u ovome primjeru sljedeći: m = 700 SJ a (1,530 2,856) m3 d SJ 365 d a = 390.915 729.708 m3 /a Prosječni dnevni priliv tečnog stajnjaka (Tabela 10.1) iznosi M TS = 48 700 = 33.600 kg/d. Kako je udio OSM u tečnom stajnjaku za brojlere 5,1%, to sledi da dnevna masa OSM u ovom primjeru jeste M OSM = 0,051 33.600 = 1.713,6 kg/d. Literatura nudi još sličnih praktičnih proračuna, ali nijedan nije dovoljno pouzdan da bi se mogao predložiti za širu upotrebu. Količina i kvalitet proizvedenog tečnog stajnjaka zavise i od količine upotrebljene vode za čišćenje boksa ili linija u objektu i ispravnosti pojilica. Prekomjerna upotreba vode za čišćenje boksa ili linija smanjuje udio suhe materije u stajnjaku i povećava potrebe za skladištenje tečnog stajnjaka. Na primjer, sadržaj suhe materije u tečnom stajnjaku svinja u zemljama EU iznosi 6-7%, dok se kod naših farmi kreće od 1 do 5% i to kao rezultat velike potrošnje vode. Sve to ukazuje na izuzetnu važnost pažljive i detaljne analize sirovine za proizvodnju biogasa. 83
10.4 Postrojenja za proizvodnju biogasa Digestor je obično u obliku horizontalnog ili vertikalnog cilindra. Obje opcije su prikazane na slici 12. Češća konstrukcija je vertikalni betonski ili čelični dobro izolovani sudovi sa rotirajućim elisama ili potopljenim pumpama za homogenizaciju. Sirovina u te vertikalne sudove ulazi sa jedne strane, a digestat se odvodi na drugoj strani. Ni pravougaoni betonski digestori nisu rijetkost. Svaki proizvođač traga za optimalnim tehničkim i ekonomskim parametrima pa se u zavisnosti od toga i opredjeljuje za oblik, načine miješanja i grijanja supstrata, itd. Vertikalni betonski ili čelični digestori sa rotirajućim elisama ili potopljenim pumpama za homogenizaciji su ipak najzastupljeniji u praksi u Evropi. U vertikalnim cilindričnim digestorima supstrat se dovodi sa gornje strane, a prevreli supstrat se odvodi sa dna na suprotnoj strani digestora. U horizontalnim digestorima se sa jedne strane uvodi supstrat a mehanizam miješanja je tako konstruisan da potiskuje smješu u digestoru od ulaza ka izlazu. Na taj način se može dobro upravljati procesom i kontrolisati vrijeme zadržavanja smješe u digestoru. Vertikalni rezervoari su jednostavniji i jeftiniji za upravljanje, ali je i njihova efikasnost manja u odnosu na horizontalne, koji su skuplji. BIOGAS Ulaz svežeg supstrata Mešači Skupljač biogas Izlaz prevrelog supstrata Ulaz svežeg supstrata Grejač BIOGAS Skupljač biogas Mešač Izlaz prevrelog supstrata Grejne cevi u izolovano cilindičnom plašti Slika 10.2 Vertikalna i horizontalna konstrukcija digestora Ako se anaerobna digestija može obaviti u jednom digestoru, tada je to jednostepeno postrojenje. Ukoliko se proces digestije odvija u dva redno postavljena digestora, takvo postrojenje nazivamo dvostepenim postrojenjem. U dvostepenom postrojenju je moguće optimizovati radne uslove sa ciljem dobivanja boljeg prinosa biogasa. U jednostepenom postrojenju trajanje procesa je duže ali su i investicioni troškovi niži u poređenju sa dvostepenim postrojenjem. Obično su zapremine oba digestora identične, kao i skladište za prevreli supstrat. Jedno tipsko postrojenje za proizvodnju biogasa prikazano je na slici 13. U skladištu osnovnog supstrata se kontinuirano ili u šaržama doprema osnovni supstrat. Njegov sadržaj je veoma različit, a logično je da će i proizvodnja biogasa biti različita po količini i kvalitetu. Podaci o karakteristikama mogućih supstrata dati su u tabeli 11. Ako je osnovni supstrat neki od onih iz te tabele, onda kao 84
dodatni supstrat može biti kukuruzovina, zeleni ostatak sa njiva itd. Skladišta ne treba shvatiti bukvalno kao mjesto prikupljanja sirovine već kao mjesto gdje se obavlja njena dorada i priprema za transport u digestor. Prije ulaska u skladište vrši se po potrebi i čišćenje sirovine od mogućih neželjenih primjesa (stakla, kamenja), zgušnjavanje ili razvodnjavanje, ali i zagrijavanje. Tako pripremljen supstrat je gusta masa koja se pumpom prebacuje u digestor. Digestor je termički izolovan i u njemu se supstrat zadržava više sedmica. U prvom digestoru se obavlja termofilna reakcija pri temperaturama od 50 do 60 o C, da bi u drugom stepenu proces prešao u mezofilnu reakciju pri nižim temperaturama (20-40 o C). Ne postoji jednostavan recept kako voditi proces, ali je sigurno da ga treba voditi sa ciljem da se dobije što veći prinos u što kraćem verenu i uz minimalne troškove. Termofilni proces Mezofilni proces Skladište osnovnog substrata DIGESTOR NAKNADNI DIGESTOR Skladište dodatnog substrata Gasni motor BIOGAS Generator SKLADIŠTE PREVRELOG SUPSTRATA Skladište toplote Rezervno hlađenje motora Slika 10.3 Tipsko postrojenje za proizvodnju biogasa Dodatni pozitivni efekti pri proizvodnji biogasa tehnologijom anaerobnog vrenja su i higijenizacija prirodnog ciklusa proizvodnje ljudske i životinjske hrane i dobivanje visokokvalitetnog prirodnog biođubriva ili stočne hrane, što zavisi od podešavanja procesa i naknadne dorade ostatka vrenja nakon izlaska iz digestora. Ilustracija ukupnog ciklusa postrojenja i korištenja proizvoda digestije je prikazano ispod. 8 8 http://www.globalseed.info/ 85
Slika 10.4 Šema toka sirovina i proizvoda biogasnog postrojenja 10.5 Primjer proračuna postrojenja za proizvodnju biogasa Farmu brojlera proizvodi godišnje 225.000 kg žive vage brojlera. Godišnji broj stočnih jedinica Proizvodi se 225.000 kg/a žive vage brojlera. Prosječna težina brojlera je 2,25 kg, što znači da se godišnje proizvede 225.000/2,25 = 100.000 kom/a. Koeficijent stočne jedinice (Tabela 10.2) iznosi 0,007. Godišnji broj stočnih jedinica (SJ) je: BSJ = 0,007 100.000 = 700 SJ/a Godišnja proizvodnja biogasa Prosječan specifični prinos biogasa može da se odredi korištenjem tabele 12. Za brojlere je specifični prinos biogasa 1,530... 2,856 m 3 /(d SJ). Sada može da se odredi prinos biogasa: m bg = 700 [SJ] (1,530 2,856) [ m3 d SJ ] 365 [d a ] = 390.315 729.708 [m3 ] 86