|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 10/2004
Oczyszczalnia ścieków z osiedlową elektrociepłownią. Najtańsze ogrzewanie szpitali, szkół, mieszkań
|
|
|
Fakt, że perpetuum mobile nie jest osiągalne, nie zwalnia nikogo z wysiłku podejmowania działań badawczo-wdrożeniowych w dziedzinie systematycznego poprawiania sprawności układów energetycznych, tzn. nad minimalizacją strat przetwarzanych nośników energii. Rezerwy są tu ogromne. Ich wykorzystane stwarza możliwość znacznej obniżki kosztów ogrzewania szpitali, szkół, mieszkań.
|
Dwie niemieckie firmy Hamburgische Elektricitäts-Werke AG oraz Hamburger Gaswerke GmbH wybudowały dzielnicową elektrociepłownię w Hamburg-Bahrenfeld, w której głównym źródłem ciepła są ścieki płynące do lokalnej oczyszczalni. Ich temperatura, jak wszystkich ścieków miejskich, utrzymuje się w granicach 12-20 st. C. Przy pomocy typowej pompy ciepła (co uwidacznia rys. 1) można je ochłodzić o ok. 6 st. C i ogrzać cyrkulującą wodę grzewczą osiedla z 680 mieszkaniami.
Zasada działania pompy ciepła
Głównymi elementami każdej pompy ciepła są:
-
odparowalnik, w którym czynnik roboczy (freon, amoniak, propan-butan, itp.) odparowując po redukcji jego ciśnienia, pobiera ciepło z otoczenia - w omawianym przypadku z płynących ścieków;
-
sprężarka, która komprymując czynnik roboczy do ok. 1,5 MPa, ogrzewa go do prawie 100 st. C. Do jej napędu stosuje się na ogół silnik elektryczny, ale w omawianej elektrociepłowni zastosowano silnik spalinowy Otta, zasilany gazem ziemnym lub biogazem pozyskiwanym właśnie z własnej miejskiej oczyszczalni ścieków. Sam silnik wymaga chłodzenia, co w omawianym przypadku wykorzystuje się do cyrkulującej wody, ogrzewającej mieszkania dzielnicy Hamburb-Bahrenfeld. Na tym jednak nie koniec, gdyż silnik spalinowy wytwarza spaliny, i to o temperaturze ok. 350 st. C, którymi ogrzewa się cyrkulującą wodę grzewczą aż do ok. 100 st. C;
-
kondensator do wykraplania czynnika roboczego pod ciśnieniem ok. 1,5 MPa, z czym wiąże się odprowadzanie ciepła kondensacji do obiegu ciepłej wody dla mieszkańców osiedla;
-
między kondensatorem, a odparowalnikiem jest zawór redukcji ciśnienia, który zapewnia nieprzerwaną cyrkulację czynnika roboczego.
Niezależnie od dwóch pomp ciepła zainstalowano na okresy silnych mrozów dwa kotły rezerwowe, opalane oczywiście własnym biogazem z lokalnej oczyszczalni ścieków, każdy o mocy termicznej 1200 kW.
Ogniwa paliwowe zasilane biogazem lub gazem ziemnym
>
W okresie letnim, gdy zapotrzebowanie na ciepło przez mieszkańców każdego osiedla jest niewielkie, należy możliwie najbardziej racjonalnie wykorzystać biogaz z lokalnej oczyszczalni ścieków. Najefektywniejszym – z ekonomicznego punktu widzenia – okazało się przetwarzanie tego gazu lub w mieszaninie z gazem ziemnym do energii elektrycznej wraz z ciepłem w dwóch agregatach ogniw paliwowych, co na rys. 1 zaznaczono tylko odpowiednimi prostokątami.
Zasadę działania ogniwa paliwowego ilustruje rys. 2. Jego istota jest podobna do akumulatora, przy czym pojedyncza celka wg rys. 2 działa następująco. Między siatkowymi elektrodami z platyny anody (-) i katody (+) umieszczona jest membrana z elektrolitem, którym w omawianym przypadku jest kwas fosforowy. Wzdłuż anody przy membranie płynie wodór (może być rozcieńczony dwutlenkiem węgla pochodzącym z katalitycznego reformingu biogazu lub gazu ziemnego). Wodór ulega na siatce anody samorzutnemu rozpadowi do elektronu (-) oraz protonu (+). Elektrony odpływają od razu do odbieralnika energii elektrycznej, natomiast proton przenika przez membranę z elektrolitem do siatki katody, na której łączy się z tlenem do wody. Proces ten jest typowym dla klasycznego utleniania wodoru, a zatem silnie egzotermicznym. Między celkami ogniwa paliwowego są rurki z obiegiem wody chłodzącej, służącej dla celów grzewczych mieszkańcom osiedla. Cały układ – w omawianym przypadku – pracuje w temperaturze ok. 220 st. C. Jak widać z tego opisu, w ogniwie paliwowym następuje bezpośrednia przemiana energii chemicznej w elektryczną przez cały czas przepływu reagentów, tj. trwania procesu utleniania wodoru do wody.
Ogniwa paliwowe, tak jak celki w akumulatorze, łączy się - zależnie od mocy - szeregowo w tzw. stos. Uzyskuje się prąd stały, który w odpowiednim agregacie na miejscu zamienia się w zmienny i w takiej postaci dostarcza się mieszkańcom osiedla, a nadmiar odprowadza się do lokalnej sieci.
W szczycie i poza nim
Zaprezentowane informacje oraz rys. 1-2 wykazują relatywną prostotę aparaturową osiedlowej elektrociepłowni na bazie własnych nośników energii. W parze idą oczywiście znaczące efekty ekonomiczne. To, że elektrociepłownia jest – jak widać na rys. 3 - wkomponowana w strukturę mieszkalną osiedla, miało również korzystny wpływ na globalne koszty inwestycyjne.
Aby uzasadnić celowość zabudowy dwóch agregatów ogniw paliwowych, każdy o mocy 200 kW, celowe jest zaprezentowanie rys. 4 z typowymi wykresami zapotrzebowania na ciepło oraz energię elektryczną na przestrzeni doby. Widoczny szczyt energetyczny można najefektywniej rozwiązać właśnie agregatami ogniw paliwowych, które można w krótkim czasie uruchomić, a następnie odstawić choćby dlatego, że nie ma w nich rotacyjnych elementów. Poza argumentacją dotyczącą pokrywania codobowych zapotrzebowań szczytowych, ważne jest racjonalne zagospodarowanie nadmiaru własnego biogazu latem.
Na ekonomikę całego przedsięwzięcia ma również wpływ fakt, że osady po fermentacji metanowej na oczyszczalni ścieków miesza się z 10 proc. mas. pyłów skalnych z kamieniołomów, a przez to są doskonałym nawozem dla plantacji roślin energetycznych, szczególnie wierzby krzewiastej.
Bez przerwy dowiadujemy się ze środków masowego przekazu o kłopotach finansowych szpitali oraz szkół. Ostatnio koks zdrożał z 450 do 1150 zł/t. Pora zatem najwyższa do skorzystania z zaprezentowanych innowacji w osiedlowych oraz miejsko-gminnych elektrociepłowniach w kraju.
|
|
|
|
