Kogeneracja a odnawialne źródła energii

Od lat prąd i ciepło dla naszych miast płyną z elektrociepłowni, gdzie produkowane są w procesie kogeneracji. Jednak obecnie sytuacja się zmienia. Na skutek dążenia do ograniczenia emisji CO₂ i powodowanych nią zmian klimatycznych, na świecie gwałtownie przebudowuje się systemy energetyczne w kierunku zwiększania udziału bezemisyjnych źródeł energii, takich jak Słońce i wiatr. Ilość energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, głownie paneli fotowoltaicznych, jest już tak znacząca, że w słoneczne letnie dni doprowadza do wystąpienia paradoksalnego zjawiska – ujemnych cen energii. Czy możemy w związku z tą sytuacją oczekiwać masowego zamykania tradycyjnych elektrowni i elektrociepłowni? Na razie nie, ponieważ energia ze źródeł odnawialnych jest niestabilna i silnie zależna od pory dnia i roku oraz warunków pogodowych

Czym jest kogeneracja?

Znana definicja mówi, że kogeneracja (ang. Combined Heat and Power, CHP) to równoczesne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej lub mechanicznej w trakcie tego samego procesu technologicznego. Silniki cieplne, takie jak turbiny parowe, wykorzystywane powszechnie w polskich elektrowniach węglowych, nie są w stanie zamienić całej energii ze spalania paliwa na prąd. Sprawność elektrociepłowni wykorzystujących węgiel kamienny do produkcji energii elektrycznej wynosi ok. 30-40%. Dlatego pozostałe ciepło ze spalania paliwa wykorzystuje się do produkcji gorącej wody lub pary, która w postaci tzw. ciepła sieciowego jest przesyłana do odbiorców i wykorzystywana do produkcji ciepłej wody użytkowej lub na potrzeby centralnego ogrzewania. W ten sposób wytwarza się prawie 2/3 całego ciepła w Polsce. Dzięki kogeneracji elektrociepłownie spalają o 20% mniej paliwa i emitują o 30% mniej dwutlenku węgla, niż gdyby energia cieplna i elektryczna produkowane były osobno. Sprawność całkowita polskich elektrociepłowni, uwzględniająca wytwarzanie ciepła, wynosi około 70-80%.

Rodzaje kogeneracji

Najbardziej rozpowszechnione układy kogeneracji w elektrociepłowniach to:

• Turbiny parowe przeciwprężne lub upustowo-kondensacyjne, zasilaną parą z kotłów opalanym węglem i biomasą,
• Turbiny gazowo-parowe (turbina gazowa w układzie kombinowanym z odzyskiem ciepła),
• Turbiny gazowe z kotłem odzyskowym.

Natomiast w energetyce niezawodowej wykorzystywane są silniki spalinowe zasilane gazem – ziemnym lub np. biogazem. Możliwa jest również tzw. mikrokogeneracja, czyli kogeneracja o małej lub średniej mocy. Obecnie produkowane są systemy kogeneracji dla zakładów przemysłowych, szpitali, hoteli, szkół czy centrów handlowych. Ich sprawność sumaryczna przekracza 90%, natomiast zakres mocy elektrycznej/cieplnej od kilku kW do kilku MW.

Czym są odnawialne źródła energii (OZE) i jaki mają udział w energetyce?

Odnawialne źródła energii to takie, które samoistnie się odnawiają, a co za tym idzie – nie wyczerpują się, w odróżnieniu od paliw kopalnych. W świetle Ustawy o OZE z 2015 roku są to „odnawialne, niekopalne źródła energii obejmujące energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię aerotermalną, energię geotermalną, energię hydrotermalną, hydroenergię, energię fal, prądów i pływów morskich, energię otrzymywaną z biomasy, biogazu rolniczego oraz z biopłynów”. W Polsce głównymi źródłami odnawialnymi są panele fotowoltaiczne i wiatraki. Udział OZE w miksie energetycznym w naszym kraju rośnie: w 2019 roku wynosił zaledwie 12%, jednak w kwietniu 2024 przekroczył 30%. Udział fotowoltaiki w tym miksie w 2023 r wynosił prawie 9%.

Kogeneracja a energia odnawialna – współpraca zamiast konkurencji

W niedalekiej przyszłości odnawialne źródła energii mają odgrywać główną rolę w procesie zmniejszania emisji CO2. W 2022 roku ich globalna moc osiągnęła 3372 GW. W Polsce pod koniec lipca 2024 moc zainstalowana fotowoltaiki przekroczyła 19 GW. Ponieważ lato było słoneczne, instalacje fotowoltaiczne produkowały tyle energii elektrycznej, że jej rynkowa cena osiągała wartości ujemne, np. sobotę 6 lipca w godzinach 12–13 cena RCE wynosiła -151,56 zł/MWh czyli -15 gr/kWh. W takich sytuacjach jednak wielkim producentom bardziej się opłaca dopłacić do sprzedawanej energii, niż wyłączyć na jakiś czas elektrownię węglową. To duży obiekt przemysłowy, którego wyłączenie i ponowne włączenie elektrowni wiąże się z bardzo wysokimi kosztami. Jednak jesienią i zimą, gdy ilość energii produkowanej ze źródeł odnawialnych gwałtownie maleje (krótszy dzień, zachmurzenie, opady) oraz jednocześnie wzrasta zapotrzebowanie na prąd - sytuacja się zmienia. Rynkowa cena energii szybko rośnie, osiągając nawet 2 zł/kWh. Niestety prądu produkowanego przez instalacje fotowoltaiczne nie da się w prosty sposób przechować. Co prawda produkowane są magazyny energii, których ceny ciągle maleją, jednak ich pojemność jest wciąż za mała w stosunku do potrzeb. Dlatego w najbliższych latach pozycja tradycyjnych elektrowni i elektrociepłowni nie będzie zagrożona.

Źródła odnawialne, takie jak Słońce czy wiatr, są niezwykle ważne dla przyszłości światowej energetyki, jednak samodzielnie nie będą one w stanie sprostać globalnemu zapotrzebowaniu na energię. Dlatego muszą być wspierane - np. przez kogenerację i odwrotnie. Obecnie systemy CHP:

• Mogą wspierać różne systemy wykorzystujące energię odnawialną, takie jak fotowoltaika i elektrownie wiatrowe, ponieważ są w stanie zapewnić nieprzerwane dostarczanie energii (poza okresami planowanych prac konserwacyjnych).
• Mogą być skoordynowane z systemami energii odnawialnej, aby dostarczały prąd i ciepło gdy fotowoltaika czy wiatraki nie pracują (noc, bezwietrzna pogoda) lub tez w okresach dłuższych przerw w dostawach energii elektrycznej z sieci (np. zerwanie linii, powódź).
• Mogą służyć, jako rdzeń tzw. mikrosieci, czyli małych lokalnych sieci energetycznych, wydzielonych i niezależnych od sieci elektroenergetycznej operatorów, stanowiąc niezawodne źródło dla podstawowego obciążenia elektrycznego i cieplnego oraz wspierając inne elementy energetyki rozproszonej, takie jak fotowoltaika, elektrownie wiatrowe oraz magazyny energii.
• Są sprawdzonym sposobem rozwiązywania problemów z zakłóceniami operacji realizowanych w przemyśle, np. nieplanowego przerwania produkcji, co prowadzi do poważnych strat zarówno materialnych, jak i przychodów przedsiębiorstw.
• Realizują równoważenie obciążenia w ciągu długich okresów czasu. Na chwilę obecną stanowią lepsze rozwiązanie od zbyt drogich magazynów energii

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.ogrzewnictwo.pl