STRATEGIA STEROWANIA SILNIKA TŁOKOWEGO ZASILANEGO G AZEM ZIEMNYM PRACUJ ĄCEGO W SYSTEMIE ENERGETYKI ROZPROSZONEJ

Autor: Łukasz Szabłowski, Jarosław Milewski, Jerzy Kuta, Krzysztof Badyda („Rynek Energii” – czerwiec 2011) Słowa kluczowe: Energetyka rozproszona, sterowanie, mikro-generacja Streszczenie. Przedstawiono zagadnienia sterowania silnika tłokowego zasilanego gazem ziemnym przeznaczonym do pracy w systemie energetyki rozproszonej. Strategia sterowania opierają się o kilka czynników i nadąża za zmianami występują-cymi na rynku, a także brane są pod uwagę charakterystyki eksploatacyjne urządzenia. Strategia sterowania definiowana jest poprzez odpowiednią funkcję celu: np. praca na maksymalny zysk, maksymalną żywotność, itp. Przedstawiono wyniki sy-mulacji dla silnika tłokowego dla wybranego rozkładu obciążeń dobowych z uwzględnieniem zmian w cenach paliwa oraz prądu. 1. WPROWADZENIE

Rosnące ceny paliw wraz ze wzrostem zużycia energii elektrycznej będą powodować konieczność wdrożenia coraz to bardziej sprawnych układów do jej produkcji. Dodatkowo na to wszystko nakładają zaostrzające się przepisy dotyczące emisji dwutlenku węgla. W przypadku dużych jednostek wytwórczych w przyszłości może to łączyć się z koniecznością zastosowania wyrafinowanych sposobów wychwytu tego gazu (opisane w [3]). Generacja rozproszona i odnawialne źródła energii są w Europie i na świecie przedmiotem znacznego zainteresowania i są uważane za istotne dla osiągnięcia dwóch celów:

− zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego Europy przez zmniejszenie zależności od importowanych paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel,

− redukcję emisji gazów cieplarnianych, a szczególnie dwutlenku węgla, ze spalania paliw kopalnych. Aby to było możliwe należy jednak rozwiązać kilka problemów natury technicznej, ponieważ system dystrybucji energii elektrycznej oparty o sieć połączonych ze sobą małych źródeł charakteryzuje się za-równo zmiennością obciążenia jak i aktualnych cen energii elektrycznej. Oznacza to, iż źródło takie bę-dzie musiało nadążać z obciążeniem nie tylko za zmianami lokalnymi, ale również za aktualną grą rynkową pomiędzy kupującymi i sprzedającymi energię do sieci oraz zmian cen na rynku paliw. System energetyki rozproszonej posiada wiele zalet, w tym bardzo dużą pewność zasilania, wysoką sprawność generowania energii (zarówno elektrycznej jak skojarzonej), bardzo elastyczne dostosowywanie się do zmian zapotrzebowania (zarówno dobowego jak i rocznego) itp. System energetyki rozproszonej może być porównany w swojej istocie i sposobie działania do sieci Internet bądź do sieci telefonii komórkowych. Urządzeniami produkującymi energię elektryczną, które mogą być potencjalnymi źródłami w systemach generacji rozproszonej są: silniki tłokowe, mikroturbiny, ogniwa paliwowe, elektrownie wodne i wiatrowe czy też elektrownie pracujące na źródłach geotermalnych (np. układu ORC -- Organic Rankine Cycle). Każde z wymienionych urządzeń posiada inne charakterystyki pracy, żywotność, sposób i koszt eksploatacji, koszt instalacji, itp. Paliwami do takich mini-elektrowni mogą być gazy (gaz ziemny, biogazy, wodór, itp.); ciecze (benzyna, olej napędowy, bio-paliwa płynne, alkohole itp.); a nawet ciała stałe -- przy zastosowaniu zgazowarki – (węgiel, drewno, itp.).

Źródło w systemie rozproszonym może pracować w jednym z wielu wariantów, w zależności od indywidualnych preferencji jego operatora. I tak mamy tu, możliwość pracy na maksymalny zysk – zwiększanie mocy źródła przy wysokich cenach energii w systemie tak aby iloczyn wyprodukowanej

energii i ceny jej sprzedaży był możliwie wysoki; kolejnym wariantem może być praca na utrzymanie możliwie długiej żywotności urządzeń – utrzymanie dodatkowych rozruchów i zatrzymań; następny wariant to praca na maksymalne potrzeby własne – tutaj źródło pracuje głównie jako zapewnienie własnych potrzeb odbiorcy (szpitale, instalacje priorytetowe, itp.). Większość operatorów będzie zapewne prowadziło swoje źródła w wariancie optymalnym, gdzie będą jednocześnie uwzględnianie zarówno zysk (cz też uniknięty koszt) jak również żywotność całej instalacji. Sieć połączonych ze sobą małych źródeł i ich współpraca z siecią elektroenergetyczną mogą mieć jeszcze jedną postać. Operator źródła może scedować sterowanie nim na większego operatora, który sterując jednocześnie dużą ilością takich źródeł może posiadać sumaryczną moc porównywalną z klasyczną dużą elektrownią. Sieć takich połączonych źródeł i ich jednoczesna kontrola oznacza pracę w układzie elektrowni wirtualnej.

Na to wszystko nakłada się jeszcze aktualna sytuacja na runku energii i na rynku paliw [10]. Możliwe są tutaj następujące warianty: praca źródła przy koszcie produkcji energii poniżej ceny Bid (cena zakupu); praca przy koszcie pomiędzy ceną Ask (cena sprzedaży) i Bid; praca przy koszcie powyżej ceny Ask. Dodatkowo część operatorów może nawiązać współpracę z siecią dystrybucyjną w celu zapewniania pracy systemowej jak również mogą się zdarzyć sytuacje gdy źródło zostanie odcięte od sieci (tzw. praca wyspowa).

Tabela 1 Możliwości współpracy źródła pracującego w systemie rozproszonym

Wariant A. Zysk B. Żywotność C. Potrzeby D. Optimum 1. koszt<Bid A-1 B-1 C-1 D-1 2. Bid>koszt>Ask A-2 B-2 C-2 D-2 3. koszt<Ask A-3 B-3 C-3 D-3 4. praca systemowa A-4 B-4 C-4 D-4 5. praca wyspowa A-5 B-5 C-5 D-5 6. Wirtualna elektrownia A-6 B-6 C-6 D-6 Ilość możliwości przedstawiono w tabeli 1. Opracowanie odpowiedniej metodyki określania i budowy strategii sterowania w zależności od zmienności cen energii elektrycznej, kosztów jej produkcji oraz preferencji operatorów pozwoli na ukierunkowanie działań nauki i techniki (w tym przemysłu krajo-wego) w konkretnym kierunku w celu przygotowania się do płynnego wdrożenia systemu energetyki rozproszonej. Dodatkowo sam dobór mocy jednostek pracujących w systemie rozproszonym jest zagadnieniem skomplikowanym [4].

Cześć dostępnych analiz dotyczy wyłącznie wybranych elementów pracy źródeł rozproszonych.

Badania nad specyfiką pracy i wpływem na system elektroenergetyczny prowadzone są w kraju i zagra-nicą. Wg [7] rozwój technologii jest niezbędnym w rozpowszechnienia wielu tzw. czystych technologii oraz rozwój ten ma wymusić odejście od procedur prognostycznych na rzecz technik scenariuszowych. Wpływ rozwoju generacji rozproszonej na niezawodność pracy systemu elektroenergetycznego została przedstawiona w [8] z podaniem także warunków jakie muszą zostać spełnione, stwierdzono także, że zdecentralizowane wytwarzanie daje możliwość zrealizowania zindywidualizowanych wymagań odbiorców i czynnego ich udziału w rynkowej grze podaży i popytu.

Sterowanie wieloma źródłami rozproszonymi za pomocą sieci Internet było przedmiotem opracowa-nia [13], w którym były także uwzględnianie aspekty ekonomiczne wspólnej pracy źródeł. Do analiz współpracy źródła z siecią, zbudowano symulator przyłącza źródła pracujący w trybie rzeczywi-stym [11] lecz badano wyłącznie elektryczne zagadnienia pracy współpracy źródła z siecią. Anali-zowane czasy dotyczyły wielkości poniżej 100 µs. Były prowadzone także analizy pracy samych źródeł z punktu widzenia sprawności oraz mocy, a także możliwości pracy w kogeneracji [2, 9]. Podejmowano

także próby wykorzystania sztucznej inteligencji do predykcji oraz zabezpieczenia pracy źródeł włączonych w system rozproszony [12].

Zagadnienia ekonomiczne wdrożenia systemu energetyki rozproszonej były analizowane między innymi w [10]. Zwrócono tam także uwagę na aspekty środowiskowe zastosowania źródeł rozproszonych na szerszą skalę. Analizę techniczno-ekonomiczną oraz porównanie silnika tłokowego z µ-turbiną gazową przedstawiono w [1], z której wynika iż silnik tłokowy osiąga dodatnią wartość NPV po ok. 5 latach (dla µ-turbiny ten czas wynosi prawie 8 lat).

W dostępnych danych literaturowych nie ma danych dotyczących pracy źródła w okresie długotermino-wym oraz strategii, jaką należy przyjąć podczas jego eksploatacji w zależności od zmieniającego się rynku.

2. MODEL SILNIKA TŁOKOWEGO ZASILANEGO GAZEM ZIEMNYM

Silniki tłokowe można podzielić na kilka grup w zależności od:

− sposobu pracy (dwusuwowe, czterosuwowe),

− ilości cylindrów (jednocylindrowe, wielocylindrowe),

− sposobu spalania paliwa w cylindrze (z zapłonem iskrowym, z zapłonem samoczynnym).

Ostatni podział dotyczy także obiegów teoretycznych na podstawie których są określane parametry pracy silnika takie jak moc i sprawność. W silniku z zapłonem iskrowym przyjmuje się, iż ciepło jest dostarczane w procesie izochorycznym (przy stałej objętości) i dla takiego przypadku obiegiem cieplnym jest obieg Otta. Natomiast w przypadku silnika z zapłonem samoczynnym zakłada się, iż dostarczanie ciepła (spalanie paliwa) przebiega przy stałym ciśnieniu (proces izobaryczny), a obiegiem zastępczym takiego silnika jest obieg Diesela. W przypadku zasilania gazem ziemnym przyjęto model silnika opartego o obieg Otta, dla którego przy zastosowaniu wielu uproszczeń i założeń, sprawność określona może być na podstawie zależności.

(1)

gdzie: є – stopień sprężania silnika, κ – wykładnik adiabaty czynnika roboczego.

Z równania tego wynika, iż parametrem decydującym o osiągach silnika jest stopień sprężania. Porównanie silnika na paliwo gazowe z innymi rodzajami silników przedstawiono w tabeli 2. Silniki zaprojektowane do zasilania gazem posiadają stopnie sprężania stosunkowo wysokie jak na silniki o zapłonie iskrowym, ale niższe 2–4 razy od silników o zapłonie samoczynnym.

Tabela 2 Charakterystyka silników spalinowych

Rodzaj silników Stopień sprężania Średnie ciśnienie użyteczne, bar Sprawność

Z zapłonem iskrowym 4-suwowe 3,5–12 3–9 18–28 2-suwowe 3,5–6,5 2–5 13–18 lotnicze ze sprężarką 6–9 1–23 18–26 Silniki na paliwo gazowe 6–9 2–6 20–30 Z zapłonem samoczynnym szybkobieżne 2-suwowe 12–22 5–7 30–41 4-suwowe 13–16 3-6,8 27–36 Z zapłonem samoczynnym wolnobieżne 4-suwowe 12–16 5,5 30–35

Tabela 3 Dane techniczne silnika Dachs G 5.0 Low NOx firmy SenerTec

Parametr Wartość Paliwo Metan Moc elektryczna, kW 5,0 Moc cieplna, kW 12,3 Sprawność elektryczna, % 26 Czas pracy pomiędzy przerwami serwisowymi, h 3500

Analizowanym źródłem jest stacjonarny silnik tłokowy Dachs firmy SenerTec o parametrach znamio-nowych zamieszczonych w tabeli 3.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Moc względna

Sp

raw

ność

wzg

lędna

Rys. 1. Wykres sprawności silnika wg [15]

Wykres sprawności silnika (rys.1) został sporządzony na podstawie rzeczywistych danych z eksploatacji silników MEPHISTO ([15]) po ich uprzednim znormalizowaniu i uogólnieniu. Zmiany sprawności takiego urządzenia w trakcie zmiany jego obciążenia mogą zostać aproksymowane następującą zależnością

(2)

gdzie: ηwzgl – sprawność względna silnika, Pwzg – moc względna.

Sprawność silnika przy aktualnym obciążeniu otrzymywana jest w wyniku przemnożenia sprawności elektrycznej przez sprawność względną.

2.1. Produkcja energii elektrycznej

Produkcja energii elektrycznej została obliczona metodą trapezów z wykresów zapotrzebowania (rys. 2, 3, 4)

(3)

gdzie: Eel – energia elektryczna (zapotrzebowanie na en. el.), Nel,n – moc elektryczna w chwili n, τ – przedział czasowy.

W tym celu wykres ten został podzielony na odcinki o długości 15min. Moc w paliwie pobieranym przez silnik określona jest równaniem

(4)

gdzie: Npal – moc w paliwie, ηzn – sprawność znamionowa silnika (w tym wypadku elektryczna).

Zużycie energii chemicznej paliwa może być liczone metodą trapezów podobnie jak zużycie energii elektrycznej lub poprzez podzielenie zapotrzebowania na moc elektryczną przez aktualną sprawność silnika spalinowego.

Znając wartość opałową paliwa (w tym przypadku gazu ziemnego) można policzyć jego zużycie w jed-nostkach, za które pobierana jest opłata (w tym przypadku w m3).To czy w danej chwili czasowej opłaca się produkować energię elektryczną czy kupować ją z sieci zależy od taryfy za paliwo, taryfy za energię elektryczną, czasu oraz kosztu rozruchu i odstawienia silnika. Wiadomo, że produkcja energii elektrycznej przez silnik spalinowy opłaca się najbardziej w przypadku gdy wytwarzane jest również ciepło do celów grzewczych. Jednakże może się również okazać, że w przypadku korzystania z taryfy o zmiennej cenie za energię elektryczną (w zależności od pory dnia) jej produkcja w określonych porach doby będzie również opłacalna.

2.2. Założenia dodatkowe

Aby można było wprowadzić model do użytkowania w konkretnym budynku (lub grupie budowli) ko-nieczne jest wykorzystanie historii zapotrzebowania na energię elektryczną takiego obiektu. Przy czym każdy dzień tygodnia powinien by rozważany osobno (oddzielnie poniedziałki, wtorki itd.) aby lepiej dostosować się do stylu życia mieszkańców. W celu zamodelowania wpływu pór roku podczas wyznaczania średnich charakterystyk należy wprowadzić wagi dla poszczególnych tygodni zgodnie z ich aktualnością (im świeższe dane tym większa waga).

Z uwagi na ekonomikę nie zalecane jest aby silnik reagował na zbyt szybkie zmiany obciążenia (np. powyżej 10% Pmax/1min), ponieważ mogą one być spowodowane chwilowym włączeniem urządzeń o stosunkowo dużym poborze mocy takich jak np. czajnik elektryczny (ok. 2000 W). Wyjątek może stanowić sytuacja, w której taki nagły wzrost zapotrzebowania na moc elektryczną jest zauważalny również na średniej charakterystyce (w miej więcej podobnej chwili czasowej) i trwa odpowiednio długo.

Algorytm powinien tym chętniej pozwalać na włączanie i wyłączanie się silnika im aktualne obciążenie będzie bliższe średniemu zapotrzebowaniu.

3. ZAŁOŻENIA STRATEGII PRACY ŹRÓDŁA Strategia pracy źródła zależy od wielu czynników, głównie od dobowych zmian zapotrzebowania na energię jakie źródło musi pokryć. Należy zastanowić się nad tym czy silnik ma pracować w podstawie, w szczycie czy też w konfiguracji pośredniej. Kluczowym elementem jest wybór funkcji celu z pośród następujących wariantów:

− maksymalny zysk,

− maksymalna żywotność,

− pokrycie potrzeb własnych odbiorcy.

Pod uwagę należy również brać pogodę oraz ceny paliw, energii elektrycznej oraz wszelkie dofinanso-wania.

3.1. Zapotrzebowanie odbiorcy na energię elektryczną

Przedstawiona analiza opiera się o przykładowe zmiany zapotrzebowania na energię elektryczną dla trzech wybranych przypadków:

− maksymalny profil obciążenia w ciągu tygodnia dla jednej z bibliotek w Wielkiej Brytanii – rys.2,

− standardowy profil obciążenia grupy taryfowej G11 w Polsce – rys.3,

− sandardowy profil obciążenia grupy taryfowej G12 w Polsce – rys.4.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

Zno

rmal

izow

ana

moc

ele

ktry

czna

Rys. 2. Przykładowe godzinowe zapotrzebowanie

na energię elektryczną w dużej Bibliotece [5]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

Zno

rmal

izow

ana

moc

ele

ktry

czna

Rys. 3. Przykładowe godzinowe zapotrzebowanie

na energię elektryczną dla odbiorców grupy taryfowej G11 wg podstawie [14]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

Zn

orm

aliz

owan

a m

oc e

lekt

rycz

na

Rys. 4. Przykładowe godzinowe zapotrzebowanie

na energię elektryczną dla odbiorców grupy taryfowej G12 wg [14]

Pierwszy z przypadków bazuje na pracy doktorskiej Vasco Guedes Ferreira [5], natomiast dwa pozostałe – na raporcie [14]. Wszystkie rozważane charakterystyki przeskalowano do maksymalnej mocy silnika a następnie znormalizowano.

3.2. Koszty stałe

Do kosztów stałych należy zaliczyć opłaty abonamentowe za energię elektryczną, które dla taryfy użytej w niniejszej analizie („Ekonomiczna dolina” (G12r) firm ENERGA-OBRÓT S.A. i Energa Ope-rator S.A.) wynoszą około 10zł/m-c brutto. W skład tej grupy kosztów wchodzić będzie również opłata stała za gaz (przesył +dystrybucja) z PGNiG w wysokości 20,80zł/m-c brutto.

3.3. Koszty zmienne

Koszty zmienne obejmują przede wszystkim zakup energii elektrycznej (tabela 4) oraz gazu wg stawek PGNiG w grupie taryfowej “w-2” za samo paliwo (1,3429 zł/m3) i “E-1A” za przesył (0,0441 zł/m3).

Tabela 4 Składnik zmienny brutto stawki taryfowej „Ekonomiczna dolina” (G12r)

firm ENERGA-OBRÓT S.A. i Energa Operator S.A.

dystrybucja przesył godziny zł/kWh

700–1300, 1600–2200 0,438 0,2186 1300–1600, 2200–700 0,2064 0,0636

3.4. Przychody – uniknięte koszty

Do przychodów zaliczono przede wszystkim uniknięte koszty zakupu energii elektrycznej w chwili gdy jej wytworzenie jest tańszym sposobem pokrycia zapotrzebowania.

Do grupy przychodów zalicza się również uniknięte koszty braku zasilania. W odniesieniu do domu jednorodzinnego (przypadek 2 i 3) przerwy w zasilaniu mogą spowodować stosunkowo nieduże koszty związane np. z utratą artykułów żywnościowych z lodówki – ok. 100zł. Natomiast dla przypadku pierwszego – dużej biblioteki oznacza to całkowitą niemożność działania począwszy na czytelniach (brak oświetlenia) a skończywszy na całym systemie elektronicznej ewidencji wypożyczeń. Taka sytuacja może spowodować znaczne straty społeczne (pozamaterialne) z punktu widzenia instytucji jaką jest biblioteka wpływając na zachowania sporej grupy ludzi np. studentów. Dla tych ostatnich może to już mieć wymiar finansowy, bądź też spowodować obniżenie wyników w nauce. Gdyby rozważanym budynkiem była duża chłodnia straty te mogłyby być liczone w dziesiątakach a nawet setkach tysięcy złotych. W przypadku szpitali przerwy w dostawach energii mogą doprowadzić nawet do śmierci niektórych pacjentów co z kolei przekłada się na potężne odszkodowania, dlatego też wszystkie takie obiekty wyposażone są w zasilanie awaryjne.

Jeżeli stabilność dostaw prądu ma kluczowe znaczenie dla działalności rozważanego budynku może się okazać, że konieczne będzie zbudowanie drugiego przyłącza elektrycznego. Koszt wykonania pierw-szego przyłącza do nowo budowanego wg. [15] domu jednorodzinnego wynosi około 10 000zł. Drugie przyłącze może okazać się znacznie droższą inwestycją.

4. STRATEGIA STEROWANIA SILNIKIEM TŁOKOWYM W SYSTEM IE ENERGETYKI ROZPROSZONEJ

W oparciu o szereg przeprowadzonych symulacji i analiz opracowano najbardziej optymalną strategię sterowania silnikiem tłokowym zasilanym gazem ziemnym i pracującym w systemie energetyki rozpro-szonej. Silnik ma pracować tak, aby zmaksymalizować zysk, co oznacza głównie pokrywanie zapotrze-bowania szczytowego odbiorcy.

Na rysunkach 5–10 przedstawiono wyniki symulacji pracy silnika tłokowego Dachs firmy SenerTec dla przypadku pracy z taryfą za energię elektryczną – “Ekonomiczna Dolina” (tabela4) oraz taryfą za gaz wg PGNiG. Dla zwiększenia czytelności wykresy zostały znormalizowane do wartości znamionowych.

Na rysunku 5 pokazano optymalne obciążenie silnika w sytuacji gdy zapotrzebowanie na energię elek-tryczną zmienia się jak na rysunku 2. Silnik włącza się w czasie porannego szczytu i pracuje przez cały ten okres. Następne włączenie się urządzenia zostało odnotowane na początku szczytu wieczornego, jednakże z powodu spadku zapotrzebowania około godziny 19:45 nastąpiło wyłączenie silnika.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

Zno

rmal

izow

ana

moc

ele

ktry

czna

Rys. 5. Optymalne obciążenie silnika tłokowego współpracującego z siecią elektroenergetyczną przy dwustrefowej taryfie za energię elektryczną

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

[zł/k

Wh

]

Rys. 6. Koszt energii elektrycznej przy optymalnej

strategii pracy silnika tłokowego

Wynika to z faktu, iż aktualna sprawność tego urządzenia spadła poniżej wartości granicznej i bardziej opłacało się kupić energię z sieci niż wytwarzać ją samodzielnie. W godzinach 13:00–16:00, 22:00–7:00 energia elektryczna z sieci w rozważanej taryfie jest tak tania, że silnik nie mógłby się włączyć nawet przy jego maksymalnej sprawności (chyba, że w sytuacji awaryjnej).

Koszt energii elektrycznej przy optymalnej strategii pracy dla tego przypadku pokazany został na rysunku 6. W trakcie trwania dolin wynosi on zaledwie 0,27zł/kWh (dla wszystkich rozważanych

przypadków), podczas gdy w porannym szczycie przyjmuje on wartości od około 0,54zł/kWh do 0,59zł/kWh. W szczycie wieczornym koszt ten wynosi od 0,55zł/kWh do około 0,66zł/kWh. Ostatnia z tych wartości jest ceną energii z sieci.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

Zn

orm

aliz

owan

a m

oc

elek

tryc

zna

Rys. 7. Optymalne obciążenie silnika tłokowego

współpracującego z siecią elektroenergetyczną przy dwustrefowej taryfie za energię elektryczną (przypadek 2)

Optymalne obciążenie silnika dla zapotrzebowania z rysunku 3 (dla odbiorców grupy taryfowej G11 – przypadek 2) zostało przedstawione na rysunku 7. W tym przypadku, z uwagi na stosunkowo duże obciążenie silnik pracuje nieprzerwanie w trakcie trwania obydwu szczytów i wyłącza się jedynie w trakcie dolin.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

[zł/k

Wh

]

Rys. 8. Koszt energii elektrycznej przy optymalnej strategii pracy silnika tłokowego dla przypadku 2

Dla przypadku 2 koszt energii elektrycznej przy optymalnej strategii pracy (rys.8) w szycie porannym wyniósł od około 0,58zł/kWh do 0,61zł/kWh, natomiast w wieczornym – od 0,54zł/kWh do 0,57zł/kWh.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

Zno

rmal

izow

ana

moc

el

ektry

czna

Rys. 9. Optymalne obciążenie silnika tłokowego

współpracującego z siecią elektroenergetyczną przy dwustrefowej taryfie za energię elektryczną (przypadek 3)

Wykres optymalnego obciążenia silnika został pokazany na rysunku 9. Podobnie jak poprzednio urządzenie to pracowało jedynie w trakcie trwania szczytów.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

[h]

[zł/k

Wh]

Rys. 10. Koszt energii elektrycznej przy optymalnej strategii pracy silnika tłokowego dla przypadku 3

Natomiast koszt energii elektrycznej (rys.10) w tej sytuacji wynosił od 0,55zł/kWh do 0,58zł/kWh – w szczycie porannym oraz od 0,55zł/kWh do 0,57zł/kWh – w szczycie wieczornym. W dolinach koszt ten był taki sam jak w przypadkach poprzednich.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

1 2 3

Przypadek

zł/d

obę

/kW

Rys. 11. Zysk (+) lub strata (-) dla rozważanych przypadków

Aby określić zysk/stratę (rys.11) w wynikającą z zastosowania silnika tłokowego (przy założeniach opisanych powyżej) należy porównać otrzymane wyniki z sytuacją, w której zapotrzebowanie na energię elektryczną pokrywane jest wyłącznie z sieci przy stałej cenie tej energii. Do tego celu w niniejszej analizie posłużono się stawką taryfową tego samego operatora co poprzednio (G11 firma ENERGA-OBRÓT S.A. i Energa Operator S.A.) wynoszącą w sumie 0,5306zł/kWh brutto. W wyniku tego w przypadku 1 otrzymano około 1,48zł/dobę zysku na każdy kilowat mocy zainstalowanej. W przypadku drugim zysk był nieco większy – 1,79zł/dobę na kilowat mocy zainstalowanej. Największy zysk odnotowano w przypadku 3 – 2,27zł/dobę na kilowat mocy zainstalowanej, co wskazuje na bardzo duży wpływ profilu zapotrzebowania na możliwości ekonomiczne takiego urządzenia. Dodatkowym czynnikiem silnie oddziałującym na to zagadnienie jest odpowiednio dopracowany układ sterowania, którego zadaniem jest unikanie niepotrzebnych rozruchów i odstawień.

Z punktu widzenia wyboru jednostki wytwórczej dużo lepsze wyniki od powyższych można by uzyskać w sytuacji zastosowania silnika o większej sprawności np. MEPHISTO G15 (14 kWel), którego sprawność znamionowa wynosi 31,5% (za [16]). Wartość graniczna obciążenia, powyżej której praca takiego urządzenia zaczyna być opłacalna (przy przyjętych uprzednio założeniach) wynosi już tylko 37% jego wartości maksymalnej. W związku ze znaczną mocą tego urządzenia można je zastosować jedynie dla dużych budynków (wielorodzinnych) bądź dla zespołu domów jednorodzinnych. Fakt ten

jest znacznie bardziej korzystny z punktu widzenia jednorodności poboru energii elektrycznej oraz ceny samego urządzenia w przeliczeniu na kW mocy zainstalowanej.

5. PODSUMOWANIE Przedstawiono zagadnienia sterowania silnika tłokowego zasilanego gazem ziemnym przeznaczonym do pracy w systemie energetyki rozproszonej.

W wyniku przeprowadzonych symulacji określono, iż najbardziej odpowiednią funkcją celu pracy silnika tłokowego jest praca na maksymalny zysk (definiowany unikniętym kosztem zakupu energii elektrycznej z sieci). Dodatkowo brano pod uwagę zyski związane z zasilaniem rezerwowym (uniknięty koszt braku zasilania). Średnio, silnik tłokowy jest włączany dwa razy na dobę w szczycie porannym (w godzinach 7:00–13:00) oraz w szczycie wieczornym (w godzinach 16:00–22:00).

Zysk związany z pracą silnika tłokowego zależy w znacznym stopniu od obciążenia jakie jest pokrywane i może zmieniać się nawet do 60% w zależności od analizowanego przypadku.

Obecnie wiele obiektów (np. biurowce) posiada zasilanie rezerwowe w postaci silników tłokowych (często jednak zasilanych paliwami płynnymi – znacznie droższymi od gazu zimnego), które nie są wykorzystywane. Przy dalszych wzrostach cen energii elektrycznej, można zacząć rozważać włączenie tych jednostek nawet do pokrywania tylko szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną. W takich przypadkach koszty inwestycyjne zostały już poniesione, a przy dużych obiektach (o mocach rzędu MW) uniknięty koszt zakupu energii elektrycznej będzie bardzo dużą kwotą.

LITERATURA [1] Arteconi A., Brandoni C., Polonara F.: Distributed generation and trigeneration: Energy saving

opportunities in Italian supermarket sector. Applied Thermal Engineering 29, 2009, s. 1735-1743. [2] Badyda K., Lewandowski J.: Możliwości skojarzonej produkcji energii elektrycznej oraz ciepła z

wykorzystaniem gazu sieciowego. Materiały V Krajowej Konferencji GAZTERM 2002, 2002. [3] Budzianowski W.: Metoda strumieniowa projektowania reaktywnych układów gaz-ciecz. Rynek

Energii, 2009, nr 4(83), s. 21-26. [4] El-Ela A. A., Allam S., Shatla M., Maximal optimal benets of distributed generation using genetic

algorithms. Electric Power Systems Research 80, 2010, s. 869-877. [5] Ferreira V. G.: The analysis of primary metered half-hourly electricity and gas consumption in

municipal buildings. Praca doktorska, Montfort University, Wrzesień 2009. [6] Hoff T. E., Wenger H. J., Farmer B. K.: Distributed generation an alternative to electric utility

investments in system capacity. Energy Policy 24, 1996, s. 137-147. [7] Malko J.: Generacja rozproszona jako czynnik zwiększenia niezawodności dostaw energii

elektrycznej do odbiorców. Energetyka, 2004. [8] Malko J.: Generacja rozproszona w europejskiej polityce energetycznej, Elektroenergetyczne sieci

rozdzielcze - SIECI 2004 V Konferencja Naukowo-Techniczna, 2004. [9] Milewski J., Miller A., Sałacinski J.: The conception of high temperature fuel cell exhaust gas heat

utilization. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej z. Mechanika 211, 2005. [10] Min T., Yoshikawa K., Murakami K.: Distributed gasification and power generation from solid

wastes. Energy 30, 2005, s. 2219-2228.

[11] Ocnasu D., Gombert C., Bacha S., Roye D., Blache F., Mekhtoub S.: Real-time hybrid facility for the study of distributed power generation systems. Revue des Energies Renouvelables 11 (3), 2008, s. 343-356.

[12] Rezaei N., Haghifam M. R.: Protection scheme for a distribution system with distributed generation using neural networks. Electrical Power and Energy Systems 30, 2008, s. 235-241.

[13] Sen R., Namovicz C., Kish J.: Distributed generation technologies today and tomorrow: Accelerating grid-based renewable energy power generation for a clean environment.

[14] Wrocławski M., Zajdler R.: Raport 4. analiza wpływu na otoczenie społeczno gospodarcze przedsięwzięcia. w ramach projektu transition facility pl2005/017-488.02.04 wzmocnienie nadzoru regulatora nad sektorem energii - nr ref. 2005/017-488.02.04.01, Urząd Regulacji Energetyki Fundacja Fundusz Współpracy, 2008.

[15] http://ladnydom.pl/budowa/1,106565,6719223, Dom_z_gotowego_projektu___wydatki.html [16] www.kwk.info Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2010–2012 jako projekt badawczy CONTROL STRATEGY OF A NATURAL GAS FUELLED PISTON EN GINE WORKING IN DISTRIBUTED GENERATION SYSTEM Key words: distributed generation, control, micro-generation Summary. Some issues concerning a control of the piston engine powered by natural gas intended for use in a distributed generation system are presented. The control strategy is based on several factors, and keep pace with the changes on the market, and also takes into account the operational characteristics of the device. The control strategy is defined by an appropriate objective function: for example, work at maximum profit, maximum service life, etc. The results of simulation for the piston engine for the chosen load including daily changes in the prices of fuel and electricity. Łukasz Szabłowski, doktorant na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Autor 1 publikacji z zakresu magazynowania energii, główne aspekty jego działalności naukowej obejmują energetykę rozproszoną, magazynowanie energii oraz instalacje energetyczne w oparciu o turbiny gazowe. Jarosław Milewski, doktor nauk technicznych, wykładowca na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Autor i współautor ponad 90 publikacji i 2 patentów, główne aspekty jego działalności naukowej to m.in. modelowania matematycznego urządzeń energetycznych zarówno tych klasycznych jak i uznawanych za przyszłościowe (np. ogniw paliwowych). Jerzy Kuta, doktor nauk technicznych, wykładowca na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Autor i współautor ponad 7 publikacji, główne aspekty jego działalności naukowej to m.in. programowanie, układy sterowania i regulacji, modelowanie matematyczne oraz zagadnienia baz danych. Krzysztof Badyda, dr hab. inż. profesor nadzwyczajny na Politechnice Warszawskiej, Prodziekan Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa (MEiL); autor wielu prac z obszaru matematycznego modelowania instalacji energetycznych, problematyki ograniczania emisji w instalacjach energetycznych, poprawy ekonomiki pracy elektrowni i elektrociepłowni oraz analiz awarii w instalacjach energetycznych.