Kogeneracja w elektroenergetyce. Dlaczego kogeneracja jest tak ważna? Rozwój kogeneracji

Kogeneracja polega na wytwarzaniu w jednym procesie technologicznym energii elektrycznej i ciepła przy zużyciu tego samego (i tej samej ilości) paliwa. Polska ma korzystne warunki do rozwoju kogeneracji ze względu na dobrze rozwinięte systemy ciepłownicze. Technologie kogerenacyjne powinny być rozwijane w Polsce w szerokim zakresie, gdyż jest to skuteczny sposób na uzyskanie oszczędności energii pierwotnej, a przez to obniżenie emisji CO2 oraz kosztów wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w porównaniu z produkcją rozdzieloną.

Spis treści

1. Kryteria zaliczania energii elektrycznej do wytworzonej w kogeneracji
2. Technologie kogeneracyjne w Polsce
3. Technologie kogeneracyjne dla polskiej elektroenergetyki
4. Kogeneracja - wnioski

Obecnie w Polsce przeważającą część jednostek kogeneracyjnych, o łącznej elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ok. 7059 MW (65,8%), stanowią bloki parowe opalane węglem, o stosunkowo niskiej efektywności energetycznej i wysokiej emisji CO₂. Dlatego w krajowej elektroenergetyce, oprócz budowy nowych źródeł kogeneracyjnych, jest potrzebna transformacja paliwowa i technologiczna istniejących źródeł tego typu w kierunku technologii niskoemisyjnych.

Kryteria zaliczania energii elektrycznej do wytworzonej w kogeneracji

Podstawą zaliczania energii elektrycznej do wyprodukowanej w kogeneracji do 2007 było Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła [3]. Dokument ten do skojarzonych źródeł energii zaliczał jednostki wytwórcze, w których proces produkcji energii elektrycznej i ciepła w poprzedzającym roku kalendarzowym odbywał się ze średnioroczną sprawnością energetyczną (przemiany energii chemicznej paliwa w elektryczną i ciepło) wynoszącą co najmniej 70%. 12 stycznia 2007 roku Sejm uchwalił ustawę, która dokonała zmian w ustawach Prawo energetyczne, Prawo ochrony środowiska oraz o systemach oceny zgodności [4], wdrażającą w Polsce Dyrektywę 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii [5]. W jej następstwie 26 września 2007 roku ukazało się rozporządzenie Ministra Gospodarki [6] zmieniające rozporządzenie z 2004 roku w sprawie kogeneracji, w którym znalazły się nowe kryteria zaliczania energii elektrycznej do wytworzonej w skojarzeniu, uszczegółowiające zapisy ustawy Prawo energetyczne w tym zakresie.

Ustawa Prawo energetyczne rozróżnia dwa pojęcia:

• energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu (z kogeneracji),
• energii wyprodukowanej w skojarzeniu o wysokiej sprawności (z wysokosprawnej kogeneracji).

Jest to o tyle istotne, że tylko dla tej ostatniej przewidziane jest wsparcie na rynku energii elektrycznej w postaci świadectw pochodzenia (do 2018 roku były to czerwone, żółte i fioletowe certyfikaty). Kryterium zaliczania energii elektrycznej do wytworzonej w kogeneracji, określonym w ustawie Prawo energetyczne, jest średnioroczna sprawność ogólna (przemiany energii chemicznej paliwa w elektryczną i ciepło) jednostki kogeneracyjnej. Jeżeli osiąga ona wartość wyższą od 80% (kogeneracyjne upustowo-kondensacyjne bloki parowe i gazowo-parowe) lub od 75% (pozostałe jednostki), to całkowita ilość wytworzonej energii elektrycznej jest uznawana za pochodzącą z kogeneracji. Jeżeli natomiast nie osiąga tej wartości, to ilość energii elektrycznej zaliczanej do wytworzonej w kogeneracji oblicza się jako iloczyn ilości ciepła wytworzonego w kogeneracji i współczynnika określającego stosunek energii elektrycznej wytworzonej w kogeneracji do ciepła użytkowego wytworzonego w kogeneracji, wyznaczanego na podstawie pomiarów parametrów jednostki kogeneracyjnej w trybie pracy pełnej kogeneracji. Po wyznaczeniu ilości energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu bada się, czy pochodzi ona z wysokosprawnej kogeneracji. Rozstrzyga o tym wartość oszczędności energii pierwotnej PES (ang. Primary Energy Savings), uzyskana dzięki skojarzonemu wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła, w porównaniu z wytwarzaniem rozdzielonym, w jednostce kogeneracyjnej o elektrycznej mocy zainstalowanej powyżej 1 MW musi wynosić więcej niż 10%, a poniżej 1 MW – być większa od zera.

W 2012 roku przyjęto dyrektywę 2012/27/UE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie efektywności energetycznej [7], do której przeniesiono zagadnienia związane ze wsparciem kogeneracji z dyrektywy 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004 r. [5], która tym samym została uchylona. W Polsce środki wsparcia energii elektrycznej wytwarzanej w wysokosprawnej kogeneracji na podstawie ustawy z 2007 roku, w postaci certyfikatów, istniały do końca 2018 roku. W dniu 14 grudnia 2018 roku Sejm uchwalił ustawę o promowaniu energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, wprowadzającą nowy system wsparcia w postaci premii kogeneracyjnej, kogeneracyjnej indywidualnej oraz gwarantowanej – dla wytwórców, którzy wygrają aukcje lub nabory [8]. Szczegóły tego rozwiązania są zawarte we wspomnianej ustawie oraz w rozporządzeniach Ministra Energii z dnia 21 sierpnia 2019 r. w sprawie maksymalnej ilości i wartości energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji objętej wsparciem oraz jednostkowych wysokości premii gwarantowanej w roku 2019 i 2020 [9] i z dnia 23 września 2019 r. w sprawie sposobu obliczania danych podanych na potrzeby korzystania z systemu wsparcia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji [10].

Technologie kogeneracyjne w Polsce

Potencjał kogeneracyjnych urządzeń wytwórczych zainstalowanych w elektrociepłowniach w Polsce jest dość duży. Ich sumaryczna elektryczna moc zainstalowana wynosi ok. 10 723 MW, co stanowi ok. 23% mocy zainstalowanej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) [12]. Udział energii elektrycznej wytworzonej w kogeneracji w 2019 r. wyniósł natomiast w kraju ok. 16,4%, w sprzedaży energii odbiorcom końcowym ok. 21,5% [13], a udział ciepła wytworzonego w skojarzeniu, w całkowitej produkcji ciepła systemowego, ok. 55% [1].

W Polsce istnieje znaczne zróżnicowanie technologiczne urządzeń energetycznych do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Największym potencjałem produkcyjnym wyróżniają się kogeneracyjne bloki parowe, których elektryczna moc zainstalowana wynosi ok. 7933 MW, co stanowi ok. 74% mocy elektrycznej wszystkich źródeł kogeneracyjnych w kraju. Wśród nich są kogeneracyjne bloki opalane węglem kamiennym, gazem ziemnym i koksowniczym, biomasą czy odpadami komunalnymi. Znaczące i nowoczesne rozwiązanie stanowią kogeneracyjne bloki gazowo-parowe opalane gazem ziemnym, zbudowane w latach 1999–2018, o łącznej elektrycznej mocy zainstalowanej ok. 2080 MW. Zastosowane w nich turbiny gazowe pochodzą z czołowych firm z branży: General Electric, Siemens, Ansaldo czy Solar Turbines.

Interesującą grupą są bloki z turbinami gazowymi pracującymi w obiegu prostym, o łącznej elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ok. 194 MW, opalane gazem ziemnym. Ważną rozwijającą się technologię stanowią kogeneracyjne bloki gazowe z silnikami gazowymi, o łącznej elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ponad 500 MW. Są one opalane gazem ziemnym lub gazem pochodzącym z odmetanowania kopalń bądź biogazem wytwarzanym w procesie biologicznej konwersji energii chemicznej biomasy w energię chemiczną biogazu w biogazowniach (rolniczych, w oczyszczalniach ścieków czy na składowiskach odpadów komunalnych).

W Polsce pracuje również kilka kogeneracyjnych bloków ORC (ang. Organic Rankine Cycle) opalanych biomasą, o łącznej elektrycznej mocy zainstalowanej stanowiącej ok. 11 MW. Poza wyżej wymieniowymi rodzajami jednostek kogeneracyjnych istnieją jeszcze parowe bloki kondensacyjne z członem ciepłowniczym, pracujące w 15 elektrowniach, których łączna moc cieplna w skojarzeniu wynosi ok. 3200 MW, a elektryczna moc zainstalowana ponad 5600 MW [12].

Technologie kogeneracyjne dla polskiej elektroenergetyki

Wszystkie perspektywiczne technologie kogeneracyjne powinny charakteryzować się wysoką efektywnością energetyczną i ekonomiczną oraz niską emisyjnością CO 2, a także dużą elastycznością na zmiany obciążenia cieplnego, szczególnie gdy technologie te mają być stosowane w kogeneracyjnych blokach pracujących w miejskich systemach ciepłowniczych, w których występuje duża zmienność zapotrzebowania na moc cieplną w czasie. Pożądaną cechą kogeneracyjnych bloków powinna być również możliwość wpływania przez ich pracę na bezpieczeństwo pracy KSE, czyli spełnianie przez nie kryteriów jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych (JWCD).

Dla dalszego rozwoju w Polsce kogeneracyjnych źródeł wytwórczych perspektywicznych jest 11 technologii – opalanych gazem ziemnym (5), biomasą (5) i węglem kamiennym (1). Źródła kogeneracyjne pracują równocześnie w KSE i systemach ciepłowniczych, dlatego moce cieplne jednostek kogeneracyjnych muszą być dostosowane do zapotrzebowania na ciepło użytkowe w systemach ciepłowniczych. Biorąc powyższe pod uwagę, perspektywiczne technologie kogeneracyjne zostały tak wybrane, aby mogły być stosowane w blokach kogeneracyjnych o mocy cieplnej w skojarzeniu od kilkudziesięciu kW do kilkuset MW.

Do grupy perspektywicznych technologii wykorzystujących jako paliwo gaz ziemny można zaliczyć [14, 15]:

• kogeneracyjny blok gazowo-parowy z 3-ciśnieniowym kotłem odzysknicowym i międzystopniowym przegrzewaniem pary, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok. 300 MW do 600 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 180 MW do 350 MW,
• kogeneracyjny blok gazowo-parowy z 2-ciśnieniowym kotłem odzysknicowym, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok. 80 MW do 300 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 60 MW do 180 MW,
• kogeneracyjny blok gazowo-parowy z 1-ciśnieniowym kotłem odzysknicowym, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok.25 MW do 80 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 20 MW do 80 MW,
• kogeneracyjny blok gazowy z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok. 1 MW do 15 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 1,5 MW do 20 MW,
• kogeneracyjny blok gazowy z silnikiem gazowym, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok. 150 kW do 7,5 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 150 kW do 6,5 MW.

Do grupy perspektywicznych technologii wykorzystujących jako paliwo biomasę lub biogaz można zaliczyć [14, 15]:

• kogeneracyjny blok parowy średniej mocy, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok. 20 MW do 50 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 25 MW do 60 MW,
• kogeneracyjny blok ORC małej mocy, o elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ok. 1 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu na poziomie ok. 4 MW,
• kogeneracyjny blok parowy małej mocy, o elektrycznej mocy zainstalowanej od ok. 2 MW do 20 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 2,5 MW do 25 MW,
• kogeneracyjny blok gazowy zintegrowany z biologiczną konwersją biomasy, o elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ok. 1 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu na poziomie ok. 1 MW,
• kogeneracyjny blok gazowy zintegrowany ze zgazowaniem biomasy, o elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ok. 1 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu na poziomie ok. 1 MW.

Do perspektywicznych technologii wykorzystujących jako paliwo węgiel kamienny można zaliczyć kogeneracyjny blok parowy na parametry podkrytyczne średniej mocy, o elektrycznej mocy zainstalowanej wynoszącej ok. 50 MW i mocy cieplnej w skojarzeniu na poziomie ok. 60 MW [14, 15].

Kogeneracja - wnioski

Dla miejskich systemów ciepłowniczych dużej mocy perspektywicznymi jednostkami kogeneracyjnymi, charakteryzującymi się wysoką efektywnością energetyczną i ekonomiczną oraz niską emisyjnością CO2, są ciepłownicze bloki gazowo-parowe opalane gazem ziemnym, z 3-ciśnieniowym kotłem odzysknicowym i międzystopniowym przegrzewaniem pary, o mocy cieplnej w skojarzeniu w zakresie od ok. 180 MW do 350 MW, które mogą spełniać również w KSE funkcję JWCD.

Z kolei dla miejskich systemów ciepłowniczych średniej mocy perspektywicznymi jednostkami kogeneracyjnymi opalanymi gazem ziemnym są ciepłownicze bloki gazowo-parowe z 2-ciśnieniowym kotłem odzysknicowym, o mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 60 MW do 180 MW, które mogą spełniać w KSE funkcje JWCD. W systemach ciepłowniczych średniej mocy mogą być stosowane również jednostki kogeneracyjne opalane gazem ziemnym, mniejszej mocy, charakteryzujące się jednak niższą efektywnością energetyczną i ekonomiczną, w postaci bloków gazowo-parowych z 1-ciśnieniowym kotłem odzysknicowym, o mocy cieplnej w skojarzeniu w zakresie od ok. 20 MW do 60 MW. Wymienione wyżej rodzaje kogeneracyjnych bloków gazowo-parowych opalanych gazem ziemnym mogą również być stosowane w przemysłowych systemach ciepłowniczych, które pozwalają na uzyskiwanie przez nie dłuższego czasu wykorzystania elektrycznej mocy zainstalowanej i cieplnej mocy w skojarzeniu, przez co mogą osiągać wyższą efektywność energetyczną i ekonomiczną.

Dla systemów ciepłowniczych małej mocy perspektywicznymi jednostkami kogeneracyjnymi opalanymi gazem ziemnym są kogeneracyjne bloki gazowe (kogeneracyjne źródła rozproszone) z turbinami gazowymi pracującymi w obiegu prostym, o mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 1 MW do 20 MW i z silnikami gazowymi, o mocy cieplnej w skojarzeniu od ok. 150 kW do 6,5 MW. Takie jednostki kogeneracyjne, jeżeli nie przekraczają w paliwie nominalnej mocy 20 MW, nie są zobowiązane do zakupu uprawnień do emisji CO₂ [11]. Ponadto mogą pracować również w okresie letnim jako źródła ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) i uzyskiwać dzięki temu wyższą efektywność ekonomiczną.

W dziedzinie technologii związanych z wykorzystaniem biomasy w źródłach kogeneracyjnych sytuacja jest złożona. Dojrzałość komercyjną uzyskały dotychczas wyłącznie technologie bazujące na spalaniu biomasy w kogeneracyjnych blokach parowych średniej i małej mocy oraz ORC, a także w dużym stopniu technologia wykorzystująca biologiczną konwersję energii chemicznej biomasy. Kogeneracyjne bloki małej mocy charakteryzują się jednak niską efektywnością energetyczną i w związku z tym dość wysokimi kosztami wytwarzania. Aby były one opłacalne, muszą pracować w trybie pełnej kogeneracji, z długim czasem wykorzystania zainstalowanej mocy elektrycznej i mocy cieplnej w skojarzeniu.

Kogeneracyjne bloki ORC małej mocy, charakteryzujące się stosunkowo niską wartością sprawności wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu, ale dużą wartością wskaźnika skojarzenia, są najczęściej stosowane w małych zakładach produkcyjnych, wykazujących duże zapotrzebowanie na ciepło do celów technologicznych, np. w wytwórniach pelletu z biomasy, a także w miejskich systemach ciepłowniczych do podgrzewania c.w.u. Korzystnymi właściwościami energetycznymi charakteryzują się bloki kogeneracyjne zintegrowane ze zgazowaniem biomasy. Niestety, dotychczas nie uzyskały one jeszcze dojrzałości ekonomicznej ani technologicznej.

Kogeneracyjne bloki parowe średniej mocy opalane węglem kamiennym – ze względu na niską efektywność energetyczną i ekonomiczną oraz wysoką emisyjność CO 2 – nie są perspektywicznymi jednostkami wytwórczymi dla miejskich systemów ciepłowniczych. Natomiast w przemysłowych systemach ciepłowniczych, przy pracy z dłuższym czasem wykorzystania elektrycznej mocy zainstalowanej i mocy cieplnej w skojarzeniu, mogą uzyskiwać wyższą efektywność energetyczną i ekonomiczną.

Literatura

1. „Statystyka Ciepłownictwa Polskiego 2018”, Agencja Rynku Energii, Warszawa 2019.

2. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (DzU z 1997 r. nr 54, poz. 348).

3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła (DzU z 2004 r. nr 267, poz. 2657).

4. Ustawa z dnia 12 stycznia 2007 r. o zmianie ustawy Prawo energetyczne, ustawy Prawo ochrony środowiska oraz ustawy o systemie oceny zgodności (DzU z 2007 r. nr 21, poz. 24).

5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2004/8/WE z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii (DzUrz UE L 52/50).

6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26.09.2007 r. w sprawie sposobu obliczania danych podanych we wniosku o wydanie świadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych świadectw, uiszczenia opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzenia danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji (DzU z 2007 r. nr 185, poz. 1314).

7. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 20012/27/UE z dnia 12 października 2012 r. w sprawie efektywności energetycznej (DzUrz UE L 315/1 – L 315/56).

8. Ustawa z dnia 14 grudnia 2018 r. o promowaniu energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji (DzU z 2020 r., poz. 250).

9. Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 21 sierpnia 2019 r. w sprawie maksymalnej ilości i wartości energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji objętej wsparciem oraz jednostkowych wysokości premii gwarantowanej w roku 2019 i 2020 (DzU z 2019 r. nr 249, poz. 1671).

10. Rozporządzeniu Ministra Energii z dnia 23.09.2019 r. w sprawie sposobu obliczania danych podanych na potrzeby korzystania z systemu wsparcia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji (DzU z 2019 r. nr 254, poz.1851).

11. Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczpospolitej Polskiej z dnia 10 maja 2018 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o systemie handlu uprawnieniami do emisji gazów cieplarnianych (DzU z 2018 r., poz. 1201).

12. „Statystyka Elektroenergetyki Polskiej 2018”, Agencja Rynku Energii,Warszawa 2019.

13. „Informacja statystyczna o energii elektrycznej” 2019, nr 2, Agencja Rynku Energii, Warszawa 2020.

14. B. Zaporowski, „Energy Effectiveness and Economic Performance of Gas and Gas-Steam Combined Heat and Power Plant Fired with Natural Gas”, „Acta Energetica” 2016, nr 1(26).

15. B. Zaporowski, „Nowoczesne technologie skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła”, „Polityka Energetyczna” 2017, t. 20, z. 3.16. B. Zaporowski, „Perspektywy rozwoju wytwarzania energii elektrycznej z gazu ziemnego w Polsce”, „Rynek Energii” 2018, nr 5(138)