PRIMENA MODERNIH TEHNOLOGIJA UPROIZVODNJI TOPLOTNE ENERGIJEU JAVNIM INSTITUCIJAMA I INDUSTRIJSKIM POSTROJENJIMA THE APPLICATION OF MODERN TECHNOLOGIES FOR HEAT PRODUCTION IN PUBLIC INSTITUTIONS AND INDUSTRIAL FACILITIES Velimir P. Stefanović *,grupa apsolvenata MF** *,** Mechanical Engineering Faculty, Niš Aleksandra Medvedeva 14, Niš, Serbia Abstract: The use of conventional systems for heat and electricity production in Niš and the whole region and country is implicating a constant waste of energy, and therefore a waste of money. This problem is present in both industrial and public sector. Using conventional methods with our limited energy resources, means not only low-energy efficient systems, and technologies, but also using very dirty technologies, which cause heavy environment pollution. The lack of electricity in our country, and region is also present. The gas pipeline in Niš has also been finished not long ago, and secondary pipeline is about to be made in the next couple of years. This opens a door for implementing new technologies and the use of new methods for production of heat and electricity, while preserving our environment. Such systems, which allow the solution of this problem, with better overall energy efficiency, and lower CO 2, SO 2 and NO X emission, have already found their place in modern cities. Key words: heat, cold, natural gas, solar energy 1. UVOD Svakoga dana se pojavljuju nove tehnologije širom sveta. Mnoge od njih se već koriste za rešavanje ovog problema. Naše rešenje za ovaj problem je paket moderne tehnologije koji uključuje kondenzne kotlove, sistem toplotnih pumpi, solarnu energiju (na dalje kogeneracija), što će biti prezentovano ovde. Ovo je veoma razvijena i poznata tehnologija u inostranstvu (u gradovima EU) ali nažalost, sa kojom kod nas, ljudi kao ni investitori, nisu dovoljo upoznati. Zato verujemo da istraživanje, projektovanje, instalacija, implementacija i demonstracija ovakvih sistema može imati veliki značaj za grad Niš. Korišćenje sistema malih kapaciteta ovakve vrste uvodi novu tehnologiju u industrijski i javni sektor i može dovesti do ušteda energije i smanjenja zagađenja okoline u Nišu i celom regionu. Realizacija ovog projekta i instalacija ovakvog sistema bi imala veiki uticaj na razne segmente delove naše zajednice sa sledećim koristima: Korišćenje istih energetskih resursa sa 30-70% višom energetskom efikasnošću Smanjenje troškova energije u industrijskom i javnom sektoru za celi region Korišćenje novih tehnologija koje čuvaju okolinu 1
Korišćenje javnih, obnovljivih izvora energije za proizvodnju energije (voda, vazduh, zemlja itd.) Korišćenje ovih sistema u obrazovne svhe Upoznavanje naše zajednice sa globalnim tehnologijama i metodama energetske efikasnosti. Ceo sistem ima primenu svuda gde se stalno koristi toplotna i el. Energija, i u isto vreme smanjuje emisiju CO 2, SO 2, i NO x a time i zagađenje. Ovaj sistem može se projektovati prema raličitim kapacitetima i zahtevima što ga čini pogodim za upotrebu u industriji javnom i privatnom sektoru. Troškovi se smanjuju, samoodrživ je i praktično sam sebe isplaćuje u nekoliko narednih godina, u zavisnosti od toga koliko je iskorišćen. Na kraju možemo zaključiti da bi svaki građanjin Niša i celog regiona imao koristi od toga. Sistem koji mi osmislimo biće instaliran na javnoj lokaciji, u centru za toplotnu i gasnu tehniku na mašinkom fakultetu u Nišu, gde će se koristit za grejanje i hlađenje i za potrebe centra. Ovo će smanjiti potrebe za toplotno energijom iz daljinskog sistema toplote koji napaja fakultet toplotno energijom. Na ovoj lokaciji sistem će biti dostupan javnosti za analizu, istraživanje i konstantno praćenje parametara od strane učesnika prokjekta. Takođe će biti koristan za studente kao primer praktične primene i za učenje. 2. ANALIZA POTREBA Odlukom evropske unije počelo se sa implementacijom ovakvih sistema. Trenutno, plan EU je dostizanje 15% proizvodnje toplote korišćenjem sistema kogeneracije do kraja 2015. Implementacija ove tehnologije je svetski trend koji bi trebalo slediti da bi išli u korak sa evropskom unijom. Konvencionalni sistemi koji se danas koriste za proizvodnju toplote su parni kotlovi i čileri za hlađenje. Ovi sistemi su prilično nenefikasni u očuvanju energije i dodatno, njihovo korišćenje je praćeno emisijom CO 2, SO 2, i NO x. Trenutno ne znamo da iko koristi ove nove tehnoligije kako u Nišu tako i u celoj zemlji. Ovo je nova tehnologija u svetu i ima primenu u dosta velikih gradova u svetu. Čuva okilinu i ima veoma visok koeficijent energetske efikasnosti. Postoje dva glavna razloga zašto ovakva tehnoligija (naročito apsorpcione toplotne pumpe) nije deo nijednog industrijskog sistema za generaciju toplote. Prvi razlog je što vodeći ljudi u ovom sektoru jednostavno nisu upoznati sa ovom novom tehnologijom a drugi razlog je verovatno relativno visoka cena pa čak i oni koji znaju da nešto vakvo posoji ne bi finansirali u opremu jer se čini previše skupa. Činjenica koja nije poznata je da ova tehnologija štednom energije, smanjuje troškove pa se praktično otplati za nekoliko godina. Ovi sistemi su visoko automatizovani i sami generišu energiju čineći deo visoko inteligenthinh sistema i zgrada. 2
3. OPIS PROJEKTA Ciljevi Naši ciljevi su sledeći: Istraživanje i studija o konkretnim problemima energetske efikasnosti, zagađenja i neiskorišćenosti prirodnih resusa i njhovo unapređenje korišćenjem modernih tehnologija Izbornabolje opreme na bazi iskustva drugih gradova koji ga već koriste Kupvina i istalacija opreme i sve neophodne merne tehnike za testiranje i istraživanje Demonstracija rada opreme Pravljenje studije o uslovima korišćenja sistema kogeneracije i koristima Javna prezentacija dobijenih rezultata Zbog boljeg razumevanja, ukratko ćemo objasniti kako sistem radi: Toplotne pumpe se koriste za grejanje, hlađenje i rashlađivanje sa veoma velikom efikasnošću i malim uticajem na životnu okolinu jer koriste obnovive izvore enrgije iz naše okoline. Čak i na temperaturama koje se smatraju niskim, vazduh, zemlja i voda poseduju korisnu toplotu koja se konstantno obnavlja suncem. Dodavanjem male koliine energije, toplotna pumpa podiže toplotnu energiju na potreban nivo. Na sličan način, toplotne pumpe mogu koristiti otpadnu toplotu iz industrijskih procesa, rashladne opreme ili vazduha za venilaciju izbačenog iz zgrada. Kako toplotne pumpe troše manje primarne enrgije od konvencionalnih toplotnih sistema, one su od vitalnog značaja za smanjenje emisije štetnih gasova kao što su ugljen dioksid, sumpor dioksid i azotni iksidi. Dva osnovna tipa toplotne pumpe su isparivačka i aprorpciona. Slika 1. Funkcionalna shema apsorbcione toplotne pumpe 3
Slika 2. T-s-ξ dijagram Apsorpcione toplotne pumpe su gonjene toplotnom energijom, što znači da se toplota a ne mehanična ili elektična energija dovodi za pogon ciklusa. One kod kondicioniranja prostora obično koriste prirodni gas kao gorivo. Industrijske instalacije su obično pogonjene parom visokog pritiska ili otpadnom toplotom. Apsorpcioni sistemi koriste sposobnost tečnosti da apsorbuju paru radnog fluida. Najčešći radni par je amonijak (radni fluid) i voda (apsorber). U poređenju sa drugim rashladnim fluidima, amonijak je jeftiniji i nema uticaja na okilinu jer je njegov uticaj na ozon jednak nuli. On se koristi za sisteme grejanja gde je neophodna primena najveće efikasnosti gasa. Slika 3. Instalirana Oprema (Robur, Italy) Sa efikasnošću gasa u datim uslovima na 144% ovj tip toplotne pumpe je pogodan za podizanje prosečne efikasnosti u toplovodnim sistemima kada su povezani sa grejačima. U umerenim klimatskim uslovima istovremeno korišćenje apsorpcione toplotne pumpe (za snabdevanje 25-30% toplotnog opterećenja) i stadardnog grejača( za preostalo opterećenje) dovodi do povećanja prosečne efikasnosti celog sistema grejanja do 125-135%. Pri 4
ekstremnim spoljnim temperaturama na -20ºC obezbeđuje se toplotna efikasnost do 100% i na 7ºC, toplotna efikasnost je do 144%. Niska temperatura toplote koja je povraćena od spoljašnjeg vazduha dozvolajava dostizanje gasne efikasnosti više od bilo kog drugog kotla. Apsorpciona tplotna pumpa je idelna za: 1. toplovodne sisteme za grejanje za komercijalne, industrijske i zivotne uslove pri malim opterećenjima, naročito kod sistema sa vodom niske temperature npr. Fancoileri i podno grejanje. 2. Sve siteme gde je potrebna topla voda do 60ºC (za sanitarnu upotrebu, procesnu primenu itd.) 3. Sve sisteme gde je potreban dug vremenski period grejanja ili kod 24h rada u insustijskim postojenjima 4. sisteme kod kojih je velika rata primene gasa Slika 4. Poređenje sa konvencijalnim tehnologijama za grejanje Glavne prednosti apsorpcione toplotne pumpe su: 1. Visoka efikasnost. Vraćanjem dela toplotne energije iz spoljašnjeg vazduha moguće je postići efikasnost višu od 144% pri nominalnim uslovima. Pri standardnim uslovima one koriste 25,7W toplote dobijene sagoravanjem gasa i dobija se 36,2 W toplote. 2. Smanjena potrošnja električne energije. Apsorpciona toplotna pumpa koristi samo 25W za proizvodnju 1kW tople vode 3. Ne zahteva unutrašnju instalaciju. Ona je konstruisana samo za spoljašnju instalaciju pa tako ne zauzima koristan unutrašnji prostor niti zahteva kotlarnicu. 4. Poseduje visoku efikasnost na ekstremno niskim spoljnim temperaturama. Efikasnost viša od 100% je obezbeđena čak i na niskim spoljašnjim temperaturama (-20ºC). 5. Kostantan rad čak i pri ekstremnim spojašnjim temperaturama. Garantuje stabilan rad čak i u slučaju ekstremnih spoljnih temperatura. 6. Svest o životnoj sredini. Niska emisija zagađenja i korišćenje prirodnih rashladnih fluida. Sledeći sistem koji planiramo da koristimo je solarni kolektor. Trenutno radimo na nacionalnom projektu koji se bavi sistemima za konverziju solarne energije u toplotu koje se posle može koristiti kao izvor energije za mnoge procese sa temperaturama preko 100ºC. 5
Efikasna konverzija solarnog zračenja u toplotu na ovim nivoima temperature zahteva korišćenje koncetrisanih ili evakuisanoh (evacuated) solarnih kolektora (PSE). Slika 5. Poprečni presek CPC-a (Kombinovani parabolični kolektor) Sistem koji povećava gustinu solarnog zračenja (solarni fluks) na apsorberu projemnika iznad nivoa okoline zove se koncentrator. Efekat koncentracije se poboljšava korišćenjem reflektujićih i refraktovanih delova koji su postavljeni tako da fokusiraju solarni fluks u prijemni deo, do tačke ili linije u zavisnosti od uslova. Zbog ovoga, njihova imena su: tačkasti i linijski koncentrator respektivno. Prvi može obezbediti mnogo veće temperature od drugog. Tačkasti koncentratori pripadaju grupi PSE za visoko temperaturnu konveryiju solarnog zračenja u toplotu (indireknot u električnu energiju) ali zahtevaju kompleksnije optičke i pokretne delove. Praktično, svaki fokusni PSE zahteva promenu pozicije (kada se koristi) da bi se dobili maksimalni tiplotni efekti. Ovo se radi sa epcijalnim sistemima automatski, što radikalno povećava cenu celog PSE. Rotacija se može napraviti ručno kada nam uslovi to dozvoljavaju. Nedostatak mobilnog fokusnog kolektora je taj što oni koriste samo direktno sunčevo zračenje a uglavnom ne koriste difuzno solarno zračenje. Slika 6. Deo poprečnog preseka prijemnika za konverziju solarnog zračenja u toplotu Koncentratori solarne energije koji se koriste pri srednjim temperaturama pretvaranja solarne energije (100-400ºC) ne zahtevaju ni oštar fokus niti precizno praćenje putanje Sunca. Oni mogu biti stacionarni ili sa povremenom rotacijom kolektora ili apsorbera. Moguća primena ovih koncentratora je veoma široka: za grejanje sanitarne ili tehnološke vode, za metalurgiju ili industriju itd. Ovime smo opisali sve što ćemo koristiti u tipičnom sistemu kogeneracije. To su apsorpciona toplotna pumpa i solarni kolektor. Naša idej nije da ih koristimo odvojeno. Naprotiv, mi želimo da koristimo topotu dobijenu zračenjem sunca u solarnim kolektorima da bi aprorpcione toplotne pumpe snabdevali određenom količinom toplotnog opterećenja za proces. Ovo ima za posladicu povećanje koeficijenta efikasnosti i na dalje vodi do ušteda u primarnoj protrošnji energije. 6
Slika 7. Kombinacija uređaja (Broad, China) 4. METODE Planiramo da posetimo sve relevantne lokacije kako u javnom tako i u industrijskom sektoru i uradimo nalaizu pojedinačnih problema za svaku lokacij. Posle toga, tražićemo najbolje rešenje koristeći raznu literaturu, internet, razne sajmove tehnike itd. Nadamo se da ćemo doći do nekog zaključka i imati jasnu sliku problema kao i njgovog rešenja. Radeći ovo, moći ćemo da odaberemo najbolju opremu koja bi rešila konkretan problem u yavisnosti od karakteristika problema i cene. Kada budemo odabrali opremu kupićemo sistem malog kapaciteta koji ćemo instalirati u centru ya toplotnu i gasnu tehniku na mašinskom fakultetu u nišu. Novi centar toplotne i gasne tehnike je trenutno u iygradnji tako da će ovo biti najbolja lokacija za realizaciju projekta. Sistem će tu biti lociran zbog daljeg testiranja, merenja svih relevantnih parametara. Projekat će se realizovati tokom sledeće godine. Posle testiranja sistema i svih neophodnih merenja, kada prikupimo sve podatke demonstriraćemo rad sistema i rezultate koje smo dobili tokom testiranja. Posle toga napravićemo javnu prezentaciju celog pšrojekta što će nadamo se doneti nova pitanja i nove investitore. Naša glavana ciljna grupa su: javne institucije (bolnice, hoteli, zdravstveni centri, bazeni, sportski centri itd.), lokalni industrijski objekti. Korišćenjem moderne tehnologije za proizvodnj i distribuciju toplote kod javni i industrijskih sistema omogućava bolju energetsku efikasnost, poboljšava korišćenje naših siromašnih prirodnih izvora, smanjuje troškove i zagađenje. Instilacijom takvog modernog sistema u centru za toplotnu i gasnu tehniku, ova tehnologija će biti na raspolaganju svima iz Niša. Analiziranjem ponašanja sistema pri radnim uslovima dokazaćemo da je samoodrživ i da je ušteda mnogo veća od same investicije. 5. ZAKLJUČAK Očigledno je i svega gore navedenog da Niš ima ozbiljan problem sa velikim zagađenjem, a naročito problem sa iskorišćenjem energetskih resursa. Zato smo počeli istraživanje za moguće rešenje ovog problema. Naš odgovor je korišćenje moderne tehnologije za proizvodnju i distribuciju toplote koja štedi energiju i čuva okolinu od daljeg zagđenja. Iako je ovo skup sistem, on je isplativ dugoročno gledano, kao i u pogledu zagađenja. Ovo je veoma efikasan sistem koji ne samo da štedi novac, već spačava vazduh koji svakodnevno udišemo. Ovo je sistem koji će biti u primeni pre ili kasnije, pa zašto to ne bi bilo pre i ne počnemo odmah. Kompjuterski nadzor efikasnosti takvog sistema dokazaće da on daje uštedu na svakom koraku i da su sredstva ušteđena za relativno kratak period (4-5 godina) mnogo veća od investicije za kupovinu i instalaciju opreme. Naš zadatak je da to omogućimo i na nama je da iskoristimo svo znanje, potencijal i kvalifikacije da to ostvarimo. 7
REFERENCE [1] Malic, D.: Termodinamika i termotehnika (1977) [2] von Cube, H.L., Steimle, F.: Heat pump Technology (1981) [3] Obsieger, V.: Stednja primarne energije primjenom apsorpcionih dizalica topline u sistemima za grijanje, Klimatizacija grejanje hladjenje, br.1 (1983) [4] Hadziefensic, S., Lekic, A.: Kogeneracija i alternativne tehnologije u proizvodnji elektricne energije (2003) [5] Internet Presentations and catalogues of different companies: Robur, Broad, Viessmann, Junkers 8