Razvitak održivog tržišta toplinske energije iz bioplinskih postrojenja u Europi Projekt IEE/11/025 Provjera izvedivosti korištenja toplinske energije iz bioplinskog postrojenja Brezik (u fazi planiranja) Veljača, 2014. BiogasHeat Provjera izvedivosti Autori: Energetski Institut Hrvoje Požar, Hrvatska Igor Novko, Željko Plantić i Željka Fištrek Kontakt: Savska cesta 163 10001 Zagreb +385 1 6326 139 zfistrek@eihp.hr www.eihp.hr Izvještaj No. WP 3: D 3.5 Projekt BiogasHeat (Razvitak održivog tržišta toplinske energije iz bioplinskih postrojenja u Europi) podržan je od strane Europske komisije kroz program Inteligentna energija za Europu. Za sadržaj ovog dokumenta odgovorni su jedino autori. Sadržaj nužno ne odražava mišljenje Europske unije. EACI i Europska komisija nisu odgovorni za eventualnu upotrebu informacija sadržanih u materijalu. BiogasHeat web stranica: www.biogasheat.org 2 Sadržaj 1 Uvod ________________________________________________________ 4 2 Bioplinsko postrojenje Brezik - trenutačno stanje ___________________ 4 Lokacija ____________________________________________________________ 5 Tehnički podaci planiranog postrojenja __________________________________ 5 Ekonomski podaci ___________________________________________________ 7 3 Stvarno iskorištenje toplinske energije iz postrojenja na bioplin _______ 8 4 Opis i kratka analiza mogućnosti korištenja toplinske energije ________ 8 OPCIJA 1: Sušara digestata ____________________________________________ 8 OPCIJA2: ORC sustav _______________________________________________ 10 OPCIJA 3: Pasterizacija mlijeka________________________________________ 12 5 Zaključak ____________________________________________________ 14 BiogasHeat Provjera izvedivosti 1 Uvod Projekt BiogasHeat bavi se pitanjem učinkovitog korištenja toplinske energije iz postrojenja na bioplin na europskoj, nacionalnoj i projektnoj razini. U sklopu projekta razvija se i primjenjuje niz mjera vezanih za različite politike primjene toplinske energije, najbolju praksu, terenska ispitivanja i provedbu projekta. Posebni ciljevi projekta BiogasHeat su: (1) poduprijeti ekonomski opravdano i održivo korištenje toplinske energije iz postojećih i budućih postrojenja na bioplin koja za sada ostaje neiskorištena, (2) povećati sposobnost prevladavanja glavnih prepreka u nekoliko ciljanih zemalja (Austrija, Češka, Danska, Hrvatska, Italija, Latvija, Njemačka, Poljska i Rumunjska) putem posebnih mjera, uključujući analizu tehničkih mogućnosti, studije izvedivosti, poduzetnički strateški razvoj poslovnih projekata i terenska ispitivanja i (3) povećati kapacitete kroz obuku, usavršavanje vještina i prijenos znanja. Provjere izvedivosti korištenja toplinske energije iz bioplinskih postrojenja jedna su od glavnih aktivnosti projekta, a njihov cilj je pružiti operatorima bioplinskih postrojenja, postojećih ili budućih, uvid u opcije iskorištenja toplinske energije koje su im na raspolaganju te analizirati primjenjivost odabranih opcija na konkretnom postrojenju. U širem pogledu, cilj provjera je prvi korak prema većoj energetskoj efikasnosti bioplinskih postrojenja. Ovaj izvještaj objedinjuje prikupljane informacije o bioplinskim postrojenjima i potencijalnim korisnicima toplinske energije te analizira izvedivosti mogućnosti korištenja toplinske energije iz bioplinskih postrojenja. Rezultat provjera nije poslovni model te je potrebno daljnje i dublje istraživanje mogućnosti. Osim toga provjere izvedivosti nisu sveobuhvatne i dubinske te na temelju njih nije moguće donositi definitivne zaključke i preporuke. Međutim, provjere izvedivosti pružaju širu sliku rizika i izazova za zainteresirane stranke. U sklopu projekta Bio-Methane Regions izrađena je pred-studija izvedivosti za bioplinsko postrojenje koje se planira u sklopu farme krava u vlasništvu Zvonimira Novosela u Breziku pokraj Virovitice. Vlasnik farme, odnosno potencijalni investitor, odlučio se je i na provjeru izvedivosti iskorištavanja otpadne toplinske energije planiranog bioplinskog postrojenja te predložio određene opcije. Time bi bioplinsko postrojenje bilo efikasnije i sukladno tome i ekonomski isplativije, te također i za okoliš prihvatljivije. 2 Bioplinsko postrojenje Brezik - trenutačno stanje Bioplinsko postrojenje Brezik trenutno je u fazi razmatranja te se provode različite studije izvedivosti i isplativosti pojedinih segmenata postrojenja. Postrojenje je planirano u sklopu farme muznih krava, vlasnika Zvonimira Novosela, gdje se trenutno nalazi oko 120 muznih krava. Iako je farma manjih gabarita, svejedno predstavlja veliki potencijal za pokrivanje vlastitih potreba električnom i toplinskom energijom, ali i zbrinjavanje otpadnih supstrata proizvedenih na farmi na najbolji mogući način. Višak električne energije dobivene iz kogeneracijske jedinice postrojenja može se predavati u distribucijsku mrežu, što predstavlja isplativost investicijskog ulaganja u bioplinsko postrojenje. Rok otplate investicije bioplinskog postrojenja moguće je smanjiti ukoliko se osim električne energije iskorištava i toplinska. Mogućnosti iskorištavanja toplinske energije, što je i cilj ove studije, bit će predstavljene u četvrtom poglavlju. 4 BiogasHeat Provjera izvedivosti Lokacija Izgradnja bioplinskog postrojenja Brezik planira se u sklopu farme krava u mjestu Brezik, koje je u sastavu općine Lukač, Virovitičko-podravske županije. Mjesto Brezik, kojeg prikazuje slika 1, udaljeno je svega 5,4 km od grada Virovitice, što pogoduje dobroj povezanosti i većem potencijalnom iskorištavanju električne i toplinske energije planiranog postrojenja. U sklopu planiranog bioplinskog postrojenja postoji slobodnog prostora za dodatnu gradnju, što čini prednost za izgradnju dodatnih objekata kojima je omogućeno iskorištavanje otpadne toplinske energije kogeneracijske jedinice, koja je sastavni dio planiranog bioplinskog postrojenja. Slika 1: Geografski položaj mjesta Brezik Tehnički podaci planiranog postrojenja U tablici 1 navedene su tehničke specifikacije planiranog bioplinskog postrojenja Brezik, dobivene proračunom u okviru projekta Bio-Methane Regions, koji je temeljen na podacima od strane vlasnika farme. Podaci predstavljaju prosječne vrijednosti kroz čitavu godinu, prilikom čega je uzeto u obzir i određeno vrijeme u slučaju kvarova te trajanje eventualnog potrebnog godišnjeg remonta postrojenja ili bilo kakvog drugog zastoja u proizvodnji bioplina ili u kogeneracijskom sustavu, što je procijenjeno na 760 sati godišnje. Uz dobivene podatke prikazani, izračunati i procijenjeni su podaci, potrebni za analizu izvedivosti iskorištavanja otpadne toplinske energije planiranog bioplinskog postrojenja. Na temelju tih podataka bit će u nastavku predstavljene mogućnosti iskorištavanja spomenute otpadne toplinske energije. 5 BiogasHeat Provjera izvedivosti Tablica 1: Tehnički podaci planiranog bioplinskog postrojenja Brezik Ukupna električna snaga postrojenja (kW e) 396 Planirana proizvodnja električne energije (kW eh/god): Ukupna toplinska snaga postrojenja (kW t, nominalno): Planirana proizvodnja toplinske energije (kW th/god): 3.167.680 469 3.751.200 Učinkovitost proizvodnje električne energije (%, nominalno): 38 Učinkovitost proizvodnje toplinske energije (%, nominalno): 45 Godišnji sati rada pogona za proizvodnju električne energije (h): 8.000 Godišnji sati rada za proizvodnju toplinske energije (h): 8.000 Toplinska energija potrebna za zagrijavanje fermentora (kW th; %): Predviđena godišnja proizvodnja bioplina (Nm³): 750.240; 20 1.522.443 Očekivana srednja ogrjevna vrijednost bioplina (kW th/Nm³): Godišnja vlastita potrošnja električne energije bioplinskog postrojenja (kW eh): Godišnja isporuka električne energije u javnu mrežu (kW eh): 4,5 221.738 2.945.942 Kao sirovina za proizvodnju bioplina koristit će se goveđa gnojnica (2.000 t/god) i kruti stajski goveđi gnoj (374,4 t/god), proizvedeno na samoj farmi muznih krava, dok će se za dodatne potrebe supstrata koristiti kukuruzna silaža (5.000 t/god), lucerna silaža (1.000 t/god) i silaža od tritikala (1.100 t/god), proizvedeno na vlastitom obradivom poljoprivrednom zemljištu veličine 160 ha. Kao što je i navedeno, trenutno se na farmi nalazi 120 muznih krava koje proizvode velike količine otpadnog biorazgradivog supstrata. Budući da navedeni supstrati sadrže prevelik postotak suhe tvari, za odvijanje mokre digestije neophodno je dodavati vodu kako bi se postotak suhe tvari sveo na zadovoljavajuću razinu, koja obično iznosi od 40-60 %. Količina vode potrebna za razrjeđivanje spomenutih supstrata je u ovome slučaju procijenjena na 5.000 m3 godišnje. Dio potrebne vode bit će moguće dobiti iz digestata, a ostatak je potrebno osigurati iz drugih izvora, poput skupljanje kišnice ili iz nekog drugog javnog ili vlastitog izvora. Uzevši u obzir navedene supstrate, godišnje je raspoloživo 14.474,4 t potencijalnog materijala za proizvodnju bioplina. Otpad nastao iz procesa proizvodnje bioplina putem mokre anaerobne digestije, zvan digestat, može se koristiti u različite svrhe. Najčešće zamjenjuje umjetna gnojila potrebna za unosniju proizvodnju poljoprivrednih usjeva različitih grana. Također moguće ga je koristiti i u industrijske svrhe za spaljivanje, no to zahtjeva obaveznu prethodnu obradu istog. 6 BiogasHeat Provjera izvedivosti Ekonomski podaci Poticajna cijena električne energije koju Operator tržišta plaća za električnu energiju proizvedenu i isporučenu iz postrojenja koja koriste obnovljive izvore energije i kogeneracijska postrojenja određena je Tarifnim sustavom za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije. Tarifnim sustavom utvrđuju se visine fiksnih tarifnih stavki i promjenjivi dio tarifnih stavki. Budući da je izgradnja bioplinskog postrojenja Brezik još u fazi planiranja te je prije puštanja u rad potrebno određeno vrijeme, točnu otkupnu cijenu električne energije iz kogeneracijskog sustava nije moguće predvidjeti te će u nastavku ista biti navedena prema trenutnom tarifnom sustavu. U tablici 2 navedene su fiksne tarifne stavke za bioplinska postrojenja, ovisno o tarifnom sustavu i o veličini postrojenja. Cijena otkupne električne energije bit će definirana kod sklapanja ugovora s Hrvatskim operatorom tržišta energije (HROTE), ukoliko dođe do realizacije projekta, i ona se može razlikovati od cijene koja je trenutno na snazi (tablica 2). Tablica 2: Visine fiksnih tarifnih stavki izražene u kn/kWh za isporučenu električnu energiju iz postrojenja na bioplin Tarifni sustav i instalirana snaga postrojenja kn/kWh Trajanje otkupa Tarifni sustav iz 2013. godine (NN 133/2013) Elektrane na bioplin iz poljoprivrednih kultura te organskih ostataka, otpada biljnog i životinjskog podrijetla, biorazgradivog otpada, deponijski plin i plin iz postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda Elektrane na bioplin instalirane snage do uključivo 300 kW 1,34 Elektrane na bioplin instalirane snage veće od 300 kW do uključivo 2 MW 1,26 Elektrane na bioplin instalirane snage veće od 2 MW 1,18 Elektrane na bioplin instalirane snage veće od 5 MW RC 14 god. * prosječna proizvodna cijena električne energije Iskorištenje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja u Republici Hrvatskoj nije posebno poticano. Kako bi se ostvarila tarifa za proizvodnju električne energije, povlašteni proizvođač obvezan je postići minimalnu ukupnu godišnju učinkovitost postrojenja od 50% u pretvorbi primarne energije goriva Q [MJ] u isporučenu električnu energiju Ei [MWh] i proizvedenu korisnu toplinu Hk [MJ]. Ukupna godišnja energetska učinkovitost obnovljivog izvora energije, ηk,OIE, definirana je izrazom: ηk,OIE = ((3600 x Ei) + Hk)/Q. Korištenje proizvedene toplinske energije za pripremu primarnog energenta kod proizvodnih postrojenja na bioplin smatra se korisno iskorištenom toplinskom energijom. Ostvarenje uvjeta minimalne ukupne godišnje učinkovitosti određuje Hrvatska energetska regulatorna agencija (HERA), a za dokazivanje ukupne godišnje energetske učinkovitosti na proizvodnom postrojenju moraju biti osigurana mjerenja, odnosno na proizvodnom postrojenju mora biti ugrađena mjerna oprema sukladno Pravilniku o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije. 7 BiogasHeat Provjera izvedivosti 3 Stvarno iskorištenje toplinske energije iz postrojenja na bioplin U praksi se toplinska energija iz kogeneracijskih jedinica ne iskorištava u potpunosti, već se većina ispušta. Razlog tome je i nepostojanje zakonske regulative koja bi primorala ili barem poticala postojeće i buduće Investitore bioplinskih postrojenja na iskorištavanje raspoložive toplinske energije. Prema podacima Investitora, navedenih u tablici 1, godišnje će biti na raspolaganje oko 3.751.200 kW th toplinske energije. Oko 20 % proizvedene toplinske energije koristit će se za vlastite potrebe grijanja digestora. Naravno, potrošnja toplinske energije za zagrijavanje digestora ovisit će o klimatskim uvjetima, te će biti veća zimi, a manja ljeti. Nakon utroška toplinske energije za grijanje digestora postrojenja i dalje je na raspolaganju 3.000.960 kW th/god toplinske energije. Potencijalne ali i ostale izvedive mogućnosti iskorištavanja raspoložive otpadne toplinske energije bit će spomenute i razmotrene u sljedećem poglavlju. 4 Opis i kratka analiza mogućnosti korištenja toplinske energije Otpadna toplinska energija iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina može se iskoristiti na više načina. Neki od njih su detaljnije opisani u priručniku "Održivo korištenje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja", (Rutz et al. 2013). Dakle, toplinska energija može se koristiti za grijanje (grijanje prostorija u okviru postrojenja, objekata za držanje životinja, daljinsko grijanje, grijanje staklenika, grijanje u akvakulturi, transport toplinske energije u kontejnerima), za hlađenje (daljinsko hlađenje, klimatizacija u raznim sektorima industrije, javnim i privatnim zgradama), sušenje (digestat, kanalizacijski mulj, žitarice i poljoprivredni usjevi, drvna sječka, peleti, cjepanice), higijenizacija otpadne sirovine te za dodatnu proizvodnju električne energije (CRC, ORC, Kalina ciklus, Stirlingov motor). Od navedenih mogućnosti više njih ne zadovoljava uvjete pojedinih slučajeva te se time ne uzimaju u obzir kod odabira potencijalnih mogućnosti korištenja toplinske energije. U nastavku bit će predložene potencijalne opcije korištenja toplinske energije postrojenja Brezik, gdje su uzeti u obzir podaci o geografskom položaju i samoj veličini bioplinskog postrojenja, ali i raspoloživosti dodatnog prostora za izgradnju potencijalnih objekata. Opcije korištenja toplinske energije, čiju ćemo izvedivost razmatrati u okviru ove provjere, su sljedeće: OPCIJA 1: Sušara digestata OPCIJA 2: ORC sustav OPCIJA 3: Pasterizacija mlijeka OPCIJA 1: Sušara digestata Otpadna toplinska energija bioplinskog postrojenja može se koristiti i za sušenje različitih vrsta materijala, kao što je primjerice digestat, kanalizacijski mulj, drvna biomasa, poljoprivredni proizvodi i sl. Na sam proces sušenja utječe nekoliko parametara, primjerice temperatura, količina topline, sadržaj vlage, odnosno vode u zraku i u samome materijalu, vremensko trajanje procesa, brzina strujanja toplog zraka te vrsta i oblik sušenog materijala. Temperatura s kojom se suši određeni materijal ovisi prvenstveno o samome materijalu, ali i o njegovoj namjeni. Osim temperature, na sušenje određenog materijala utječe i sadržaj vlage u zraku. S porastom temperature povećava se sadržaj pare u zraku. S povećanjem sadržaja pare u zraku ograničava se raspoloživost sušenja materijala. Stoga je potrebno procijeniti mjeru sušenja. Pri tome često može pomoći Mollierov h-x dijagram pomoću kojeg se može procijeniti maksimalna količina vode koju zrak može preuzeti iz sušenog materijala. Mollierov h-x dijagram može se pronaći u mnogim literaturama kao i u priručniku „Održivo korištenje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja“ (D. Rutz, et al.). 8 BiogasHeat Provjera izvedivosti Budući da se uz planirano bioplinsko postrojenje nalazi dovoljno prostora za gradnju, u ovoj će studiji kao prva opcija biti razmatrana provjera izvedivosti sušenja digestata s otpadnom toplinskom energijom iz bioplinskog postrojenja. Digestat ili fermentirani ostatak je ostatak iz bioplinskog postrojenja za anaerobnu digestiju pomoću koje se iz ulaznih sirovina dobiva bioplin. Ovisno od njegovog sastava najčešće se koristi kao gnojivo u raznim poljoprivrednim granama te kao gorivo u raznim sektorima industrije. Nakon procesa grubog odvajanja krutog od tekućeg, kruti digestat je potrebno sušiti na razinu koja je predviđena određenim zahtjevima. Kruti dio digestata je moguće sušiti pomoću solarnih sušilica, no radi veće isplativosti se za sušenje digestata može koristiti i otpadna toplina iz bioplinskog postrojenja. Najčešća tehnologija sušilica za sušenje digestata koristi se sušilica s transportnom trakom. Kod takve izvedbe se digestat kontinuirano i ravnomjerno transportira kroz punilicu ili usipni koš na perforiranu traku. Traka dalje nosi digestat kroz ćelije vrućeg zraka, gdje vrući zrak prolazi kroz ili preko mokrog digestata i na taj ga način suši. Temperatura potrebna za sušenje digestata kreće se između 55 °C i 95 °C, što je idealno za primjer korišten ja otpadne toplinske energije iz postrojenja, gdje je moguće postići temperaturu medija od 70°C do 90 °C. Ovim pristupom mogu će je iskoristiti otpadnu toplinsku energiju i istovremeno iskoristiti otpadni digestat u korisne svrhe kao gnojivo u sektorima hortikulture, vrtlarstva, te mnogim drugim poljoprivrednim granama, izravno ili u peletiranom obliku. Također kao mogućnost korištenja suhog digestata je i u industrijskom sektoru, gdje se suhi digestat može koristiti za spaljivanje. Vidljivo iz tablice 1, višak toplinske energije kojeg je moguće dodatno iskoristiti iznosi 3.000.960 kW th/god, odnosno neiskorištene toplinske snage od 375 kW t. Uzmemo li u obzir da je ulazni postotak suhe tvari digestata 25 %, a željeni izlazni postotak suhe tvari osušenog digestata 80 %, slijedi da je s količinom otpadne toplinske energije moguće sušiti digestat u iznosu od 390 kg/h. Ako uzmemo u obzir od Investitora dobivene podatke o procijenjenim satima rada sušare od 8.000 h/god, moguće je godišnje posušiti 3.120 t digestata. Time je godišnje na raspolaganju 975 t posušenog digestata korisnog za daljnju preradu i prodaju. Kao kod svih opcija potrebno je investicijsko ulaganje. Usporedbom cijena već postojećih sušara digestata, procijenjeni kapitalni troškovi sušare navedenih parametara iznosili bi 1.800.000 kn, dok su godišnji operativni troškovi rada procijenjeni na 368.933 kn/god. U usporedbi s sušarom u kojoj se koristi kao gorivo za zagrijavanje prirodni zemni plin, moguće je uštedjeti 1.081.327 kn godišnje. Kod analize izračunata je količina prirodnog zemnog plina za postizanje jednake količine toplinske energije potrebne za sušenje navedene količine digestata, te ona iznosi 308.951 Sm3/god. Uzevši u obzir cijenu prirodnog plina od 3,5 kn/Sm3, te imajući u vidu kapitalne i operativne troškove, može se procijeniti povrat investicijskih ulaganja u roku od 2 god, što usprkos relativno malom postrojenju predstavlja vrlo kratak rok otplate potrebnih ulaganja te time predstavlja isplativost predložene i analizirane opcije. U analizi je uzeta u obzir samo razlika cijene energenta za sušenje. Cijena izlaznog produkta, odnosno posušenog digestata, varira ovisno od njegove kvalitete, ali i samog tržišta. Stoga prihodi od njegove prodaje nisu uračunati pa se samim time može pretpostaviti da će rok otplate potrebnih investicijskih ulaganja biti još kraći. Ukoliko će se digestat koristiti za vlastite potrebe, istog je moguće bolje skladištiti te ga koristiti u primjerenijem obliku onda kada je potrebno. U slučaju da će se prodavati, posušeni digestat je lakši te je time i prihvatljiviji za njegov transport i samu prodaju. Podaci kapitalnih i operativnih troškova, kao i ostalih potrebnih podataka za provedbu analize prikazani su u tablici 3. 9 BiogasHeat Provjera izvedivosti Tablica 3: Podaci kapitalnih i operativnih troškova te tehnički podaci sušare digestata u sklopu bioplinskog postrojenja Brezik Iskoristiva toplinska snaga kW t 375 Procjena sati rada h Postotak suhe tvari - ulaz % 25 Postotak suhe tvari - izlaz % 80 Kapacitet ulaznog materijala za sušenje kg/h 390 Kapacitet izlaznog osušenog materijala kg/h 122 8.000 Količina ulaznog materijala za sušenje t/god 3.120 Količina izlaznog osušenog materijala t/god 975 Potrošnja električne energije za vlastite potrebe MW eh/god 200 Potrošnja toplinske energije za sušenje MW th/god 3.003 Kapitalni troškovi HRK Operativni troškovi HRK/god Predviđeni povrat investicije god 1.800.000 368.933 2 Prednost ovog tipa sušare je u mogućnosti iskorištavanja većinskog dijela otpadne toplinske energije postrojenja tijekom čitave godine. Doduše, u ljetnim mjesecima potrebno je nekoliko manje toplinske energije, dok je zimi potrebno više. U izračunu je uzeta prosječna srednja vrijednost kroz svih dvanaest mjeseci. OPCIJA2: ORC sustav Kao druga opcija ove provjere izvedivosti predlaže se ORC sustav. Otpadnu toplinsku energiju koja nastaje u bioplinskom postrojenju može se iskoristiti na više načina, čime se poveća korisnost postrojenja i samim time ekonomska isplativost čitavog procesa. Jedan od načina korištenja otpadne toplinske energije je i dodatna proizvodnja električne energije, odnosno pretvorba otpadne toplinske energije u električnu. Najčešći i najprimjenjiviji način dodatne proizvodnje električne energije iz bioplinskog postrojenja je upotreba organskog Rankineovog ciklusa (ORC). Kod ORC sustava kao medij potreban za pretvorbu toplinske energije u mehaničku, te kasnije u električnu, koristi se neki organski fluid. Na taj način omogućeno je učinkovitije iskorištavanje otpadne toplinske energije postrojenja, pri čemu se temperatura organskog fluida nalazi između 70 °C i 90 °C. Razlog uporabe organskih fluida je u nižem vrelištu od vrelišta vode (100 °C), što je pogodnije od klasi čnog CRC sustava, gdje se kao medij koristi voda. Radni fluid se odabire ovisno o temperaturi koju je moguće doseći iz postrojenja. Kao najčešće korišten organski fluid u praksi navode se ugljikovodici, kojima je vrelište oko 80 °C. Princip rada, prikazan na slici 2, vrlo je jednostavan. Radni fluid pumpa se u kotao gdje isparava, ekspandira kroz turbinu i na kraju kondenzira. 10 BiogasHeat Slika 2: Provjera izvedivosti Prikaz Rankineovoga ciklusa (izvor: Priručnik „Održivo korištenje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja) U priručniku „Održivo korištenje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja“ (D. Rutz, et al.), koji je nastao iz dobre prakse i iskustva, navodi se podatak da je u slučaju kogeneracijskog postrojenja snage 1 MW moguće pomoću ORC sustava postići oko 10% dodatne električne energije. Toplinska energija, koja nastaje uslijed ORC procesa može se dalje koristiti primjerice za grijanje, čime se dodatno povećava korisnost cijelog postrojenja, no radi manje količine najčešće se ne iskorištava. Prednost uporabe ORC sustava je u dodatnoj proizvodnji električne energije, koja je radi najmanjih gubitaka najprimjerenija za transportiranje. Također velika prednost ORC sustava je u mogućnosti iskorištavanja otpadne toplinske energije kroz čitavu godinu i ne samo sezonsko kao kod nekih opcija. Osnovni nedostatak je svakako cijena. Investicija ORC sistema u odnosu na dobivenu dodatnu električnu energiju je relativno visoka i isplativija za postrojenja većih snaga. U ovoj studiji provedena je potrebna analiza i provjera izvedivosti opcije ORC sustava kod korisnog iskorištavanja otpadne toplinske energije za planirano bioplinsko postrojenje Brezik. Vidljivo iz tablice 1 drugog poglavlja, višak toplinske energije kojeg je moguće dodatno iskoristiti iznosi 3.000.960 kW th/god, odnosno neiskorištene toplinske snage od 375 kW t. Budući da ORC jedinice nisu standardiziranih veličina, razmatrana je čitava količina otpadne toplinske energije, odnosno godišnje prosječne vrijednosti toplinske snage. Uz procijenjenu korisnost od 15 %, koja predstavlja omjer izlazne električne snage i ulazne toplinske snage, moguće je dobiti električnu snagu ORC postrojenja od 56,25 kW e. Uzevši u obzir godišnje radne sate od 8.000 h, uz pomoć ORC sustava moguće je godišnje prizvesti 450 MW eh dodatne električne energije, iz čega proizlazi da je moguće s takvim bioplinskim postrojenjem proizvesti ukupno 3.451 MW eh električne energije. Na taj način povećana je korisnost razmatranog bioplinskog postrojenja za otprilike 15 %. Budući da bi se dodatna proizvedena električna energija iz razmatranog bioplinskog postrojenja naplaćivala po jednakom tarifnom modelu kao i osnovna proizvodnja iz bioplinskog postrojenja, dodatno proizvedena električna energija iznosi 567.000 kn godišnje. Uzmu li se u obzir kapitalni troškovi, procijenjeni na 1.265.625 kn, te operativni troškovi procijenjeni na 145.312 kn/god, povrat investicija potrebnih za izgradnju i održavanje ORC sustava procijenjen je na 2,3 godine. Budući da je današnja tehnologija ORC sustava prilično napredna i njezin se životni vijek procjenjuje na otprilike 20 godina, može se zaključiti da bi se investicija u ORC sustav svakako isplatila. Također dodatna proizvodnja električne energije ne bi utjecala na promjenu skupine tarifnog modela te je cijena po kWh proizvedene ukupne električne energije jednaka. Uz ekonomsku dobit, takav sustav korištenja otpadne toplinske energije bio bi i ekološki prihvatljiv. 11 BiogasHeat Provjera izvedivosti Podaci kapitalnih i operativnih troškova, kao i prihodi i tehnički podaci ORC sustava i njegove primijene u postojećem bioplinskom postrojenju prikazani su u tablici 5. Tablica 4: Kapitalni i operativni troškovi, prihodi i tehnički podaci ORC sustava bioplinskog postrojenja Brezik Iskoristiva toplinska snaga kW t Električna učinkovitost % Prosječna dodatna električna snaga kW e 56,25 Procjena godišnjih sati rada h/god 8.000 Dodatna proizvodnja električne energije MW eh/god Procijenjena cijena ORC jedinice HRK/kW e Kapitalni troškovi HRK Operativni troškovi HRK/god Tarifna cijena otkupa električne energije HRK/MW eh Godišnji prihod od električne energije HRK/god 567.000 Godišnji prihodi (manji za troškove održavanja) HRK/god 552.000 Procjena povrata investicije god 375 15 450 22.500 1.265.625 145.312 1.260 2,3 Tehnički i ekonomski podaci, korišteni u analizi i navedeni u tablici 5, uzeti su iz prakse te se mogu razlikovati od stvarnih vrijednosti, prije svega radi različite tehnološke izvedbe samog ORC sustava. Stoga prije donošenja bilokakvih odluka o realizaciji potrebno je provesti detaljniju analizu i provjeru tehnologije i tržišta. OPCIJA 3: Pasterizacija mlijeka Pasterizacija mlijeka je postupak uklanjanja patogenih i ostalih mikroorganizama koji se nalaze u sirovom mlijeku bez da se bitno mijenja njegov sastav, ukus ili prehrambena vrijednost. Vrši se prvenstveno radi dugotrajnijeg očuvanja mlijeka, čime se olakšava njegov transport i prodaja, ali i radi osiguravanja kakvoće mlijeka. Istovremeno se pasterizacijom može uništiti i dio korisnih bakterija i mikroorganizama, te također korisni vitamini koje sadrži sirovo mlijeko. Stoga je potrebno odrediti optimalnu temperaturu i vrijeme trajanja postupka pasterizacije. U praksi se obično primjenjuju dvije vrste pasterizacije, nazvane niska pasterizacija i visoka pasterizacija. Kod niske pasterizacije mlijeko se 30 min grije na 63 °C. Kod te vrste poznata su dva načina niske pasterizacije. Kod prvog se sirovo mlijeko pasterizira u spremniku, odnosno duplikatoru s ugrađenom miješalicom. Radi moguće rekontaminacije ovaj postupak je zamijenjen pasterizacijom u bocama, gdje se sirovo mlijeko ulijeva u boce i transportnom trakom provodi kroz uređaj sa toplom vodom, prilikom čega ne dolazi do ponovne infekcije. Kod visoke pasterizacije mlijeko se grije 15 sekundi na 72 °C. Ta se metoda u industriji najčešće primjenjuje zbog bržeg i efikasnijeg postupka gdje se bolje očuvaju korisne termolabilne supstance mlijeka (vitamini, proteini i sl.). Postoji više načina provođenja visoke pasterizacije, no najčešće se koristi pločasti tip pasterizatora. U oba slučaja, dakle niske i visoke pasterizacije, nakon zagrijavanja mlijeko se postupno hladi na 8 °C. U svrhu postizanja navedenih temperatura potrebnih za izvođenje postupka pasterizacije mlijeka može se iskoristiti otpadna toplinska energija iz planiranog bioplinskog postrojenja. Budući da nisu poznati ulazni podaci potrebni za detaljniju procjenu o potrebnoj količini toplinske energije za postupak pasterizacije, u nastavku će biti prikazana raspoloživa toplinska energija za pojedini mjesec u godini i na osnovu najhladnijih mjeseci, a to su siječanj, veljača i prosinac, bit će izvedena analiza u svrhu iskorištavanja otpadne toplinske energije postrojenja. Prema podacima dobivenih od Investitora, godišnje je na raspolaganju 12 BiogasHeat Provjera izvedivosti 3.000.960 kW th toplinske energije, odnosno 375 kW t toplinske snage. Navedena količina toplinske energije predstavlja godišnji prosjek, no stvarna raspoloživa količina energije ovisi o klimatskim uvjetima, koji utječu na količinu toplinske energije vlastitih potreba grijanja ulazne sirovine, odnosno digestora. Raspoloživu toplinsku energiju za pojedini mjesec predstavlja tablica 6. Tablica 5: Raspoloživa toplinska snaga i energija po mjesecima Siječanj Prosječna planirana toplinska energija (kW th) 312.600,00 Vlastita potrošnja toplinske energije (kW th) 113.786,40 Raspoloživa toplinska energija (kW th) 198.813,60 Raspoloživa toplinska snaga (kW t) 292,09 Veljača 312.600,00 113.786,40 198.813,60 326,64 Ožujak 312.600,00 91.904,40 220.695,60 324,23 Travanj 312.600,00 67.521,60 245.078,40 373,22 Svibanj 312.600,00 22.507,20 290.092,80 426,19 Lipanj 312.600,00 22.507,20 290.092,80 441,77 Srpanj 312.600,00 11.253,60 301.346,40 442,72 Kolovoz 312.600,00 11.253,60 301.346,40 442,72 Rujan 312.600,00 22.507,20 290.092,80 441,77 Listopad 312.600,00 67.521,60 245.078,40 360,06 Studeni 312.600,00 91.904,40 220.695,60 336,08 Prosinac 312.600,00 113.786,40 198.813,60 292,09 Prema procjenama, prikazanim u tablici 6, za vrijeme najhladnijih mjeseci godine na raspolaganju je 198.813,6 kW th/mj toplinske energije, odnosno unutar najhladnijeg mjeseca prosječno 292,09 kW t toplinske snage. Uzmemo li u obzir navedeni podatak o raspoloživoj toplinskoj snazi, te uzevši u obzir da za postupak pasterizacije moramo s otpadnom toplinskom energijom podignuti temperaturu sirovog mlijeka iz 25 °C na 72 °C, koja predstavlja temperaturu potrebnu za provedbu visoke pasterizacije, s navedenom toplinskom snagom moguće je pasterizirati 5.674 litara mlijeka na sat. Na osnovu iskustvenih podataka, potrebna kapitalna ulaganja u sustav pasterizacije mlijeka iznose oko 800.000 kn, dok godišnji fiksni i varijabilni troškovi rada iznose 321.410 kn. Uzme li se u obzir da se do potrebne toplinske energije za pasterizaciju navedene količine mlijeka dolazi pomoću prirodnog zemnog plina, moguće je procijeniti uštedu na navedenom energentu u iznosu od 841.412 kn/god. U izračunu je uzeta srednja ogrjevna vrijednost prirodnog zemnog plina od 9,72 kWh/Sm3 i cijena 3,5 kn/Sm3. Provedenom analizom, gdje je uzeta razlika u potrošnji navedenog energenta i otpadne toplinske energije, moguće je procijeniti povrat investicija za 1,4 god. Svi tehnički i ekonomski podaci prikazani su u tablici Error! Reference source not found.. 13 BiogasHeat Provjera izvedivosti Tablica 6: Podaci kapitalnih i operativnih troškova te tehnički podaci sustava za pasterizaciju mlijeka otpadnom toplinskom energijom bioplinskog postrojenja Brezik Procjena sati rada h Iskoristiva toplinska snaga za najhladniji mjesec kW t 8.000 292 Električna snaga postrojenja kW e 35 Ulazna temperatura mlijeka °C 25 Izlazna temperatura mlijeka °C 72 Količina mlijeka za preradu l/h 5.674 Količina pasteriziranog mlijeka l/god Potrošnja električne energije za vlastite potrebe MW eh/god 280 Potrošnja toplinske energije za sustav pasterizacije MW th/god 2.337 Potrošnja prirodnog zemnog plina (za usporedbu) Sm /god 240.403 Potrošnja prirodnog zemnog plina (za usporedbu) HRK/god 841.412 Ušteda bez operativnih troškova (izuzev anuiteta) HRK/god 602.372 Kapitalni troškovi HRK 800.000 Operativni troškovi HRK/god 321.410 Predviđeni povrat investicije god 3 45.390.796 1,4 Provedena analiza temelji na podacima za najhladniji mjesec u godini, gdje je uzeto u obzir maksimalno iskorištavanje toplinske energije. Budući da je s navedenom količinom otpadne toplinske energije moguće pasterizirati i veće količine mlijeka od onih s kojima trenutno raspolaže farma od 120 muznih krava, preostali dio bilo bi potrebno dovoziti iz lokalnih farmi, ukoliko postoji takva mogućnost. Ukoliko ne postoji mogućnost dovoza dodatnog mlijeka, rok povratka investicijskih ulaganja u sustav pasterizacije se sukladno tome produžuje, te je sama investicija u tom slučaju manje isplativa. Investicijom u sustav pasterizacije mlijeka ostvaruje se ekonomska dobit, povećanje iskorištenosti samog bioplinskog postrojenja, ali i dodatne djelatnosti. Osim ekonomske dobiti, na taj se način povećava i ekološka prihvatljivost postrojenja, ali i uređaja za pasterizaciju jer se time smanjuje potrošnja fosilnih goriva koji predstavljaju veliki zagađivač prirode. 5 Zaključak U studiji je provedena provjera izvedivosti iskorištavanja otpadne toplinske energije iz potencijalnog bioplinskog postrojenja Brezik, koje je razmatrano u sklopu već postojeće farme krava poljoprivrednog gospodarstva Zvonimira Novosel u Breziku nedaleko od Virovitice. Izvedena je potrebna analiza kojom se je provjerila izvedivost pojedinih opcija za iskorištavanje toplinske energije postrojenja, ali i njihova isplativost. Analizirane su tri opcije: sušara digestata, ORC sustav i pasterizacija mlijeka. U sva tri slučaja pokazala se je ekonomska isplativost dodatnih ulaganja, što predstavlja velik potencijal da se uz ekonomsku dobit od prodane električne energije dobivene iz kogeneracijskog sistema ostvari i dobit po osnovu uštede putem iskorištavanja toplinske energije. Uz ekonomsku dobit potrebno je istaknuti i ekološku dobit jer se iskorištavanjem toplinske energije može nadomjestiti energente koji predstavljaju velike zagađivače okoliša i atmosfere putem proizvodnje stakleničkih plinova, ali i ostalih. Potrebno je također naglasiti da ova studija ne predstavlja dio projektne dokumentacije ili bilo koju vrstu dokumentacije potrebnu za realizaciju iskorištavanja toplinske energije, jer su u analizi korišteni procijenjeni i nepotpuni tehnički i ekonomski podaci. Za realiziranje spomenutih opcija potrebno je provesti detaljnije istraživanje u koje bi se uključili točniji 14 BiogasHeat Provjera izvedivosti podaci određene opcije. Cilj ove studije je prije svega motiviranje budućeg investitora bioplinskog postrojenja na korisno iskorištavanje ostatne toplinske energije te davanje informacija o potencijalnim opcijama i ostalim mogućnostima njezinog iskorištavanja. 15
© Copyright 2024 Paperzz
