ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΤΟ Α.Π.Θ.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΤΟ Α.Π.Θ. ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΙΔΗΣ Α.Ε.Μ.: 4303 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΓΙΣ Μ. ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΑΡΜΟΔΙΑ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: Δρ. ΣΟΦΙΑ-ΝΑΤΑΛΙΑ ΜΠΟΕΜΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2012

2 ii ΕΜΘΠM

3 1. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 2. ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ 4. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος Καθηγητής: Άγις Μ. Παπαδόπουλος 6. Αρμόδιοι Παρακολούθησης Σοφία-Ναταλία Μποέμη 7. Τίτλος εργασίας: ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΤΟ Α.Π.Θ. 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή (-ών): ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΧΡΙΣΤΟΔΟΥΛΙΔΗΣ 9. Αριθμός μητρώου: Θεματική περιοχή: ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗ ΣΕ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΟ ΓΡΑΦΕΙΩΝ 11. Ημερομηνία έναρξης: 01/11/ Ημερομηνία παράδοσης: 13. Αριθμός εργασίας: 14. Περίληψη: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτέλεσε η διαστασιολόγηση και η οικονομική ανάλυση μονάδας ΣΗΘ στο χώρο του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης για την κάλυψη θερμικών αναγκών του νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ και του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική παρουσίαση των μονάδων συμπαραγωγής, των τεχνικών λειτουργίας και των εφαρμογών της. Επίσης 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 100 Αρ. Εικόνων: 16 Αρ. Διαγραμμάτων: 35 Αρ. Πινάκων:8 Αρ. Παραρτημάτων: 3 Αρ. Παραπομπών: 25 γίνεται αναφορά στα συστήματα τηλεθέρμανσης και στις τεχνικές εφαρμογής τους. Ακολούθως στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση των θερμικών ενεργειακών αναγκών των Νοσοκομείων και των κτιρίων γραφείων. Στο τρίτο κεφάλαιο μετά από την καταγραφή των ενεργειακών απαιτήσεων των εξεταζόμενων κτιρίων και των υπαρχόντων μονάδων παραγωγής θερμικής ενέργειας, αναλύεται το εξεταζόμενο ενεργειακό σύστημα που προσομοιώνεται και η προσομοιωτική διαδικασία. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα ενεργειακά και οικονομικά 16. Λέξεις κλειδιά: ΣΗΘ, Μερικό φορτίο, Θερμοδοχείο, Νοσοκομείο, Κτίρια Δημόσιας Χρήσης, Τηλεθέρμανση, Κτίριο Γραφείων, ΚΠΑ, EnergyPRO δεδομένα ώστε στο πέμπτο κεφάλαιο να γίνει η επιλογή και ανάλυση του βέλτιστου συστήματος. Η μελέτη ολοκληρώνεται με το έκτο κεφάλαιο όπου 17. Σχόλια: ανακεφαλαιώνονται τα βασικά σημεία της και παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα. 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις 19. Βαθμός: iii

4 iv ΕΜΘΠM

5 Πρόλογος Στην σύγχρονη εποχή, καθώς οι ενεργειακές απαιτήσεις των κοινωνιών διαρκώς αυξάνονται ενώ οι διαθέσιμοι ενεργειακοί πόροι εξαντλούνται, η ανάγκη καλύτερης εκμετάλλευσής τους καθίσταται απαραίτητη. Η κατανάλωση ενέργειας από τα κτίρια για την επίτευξη θερμικής άνεσης και η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από αυτά αποτελούν μία σημαντική συνιστώσα των συνολικών ενεργειακών απαιτήσεων. Η συνήθης μέχρι τώρα, μέθοδος κάλυψης των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών των κτιρίων δημόσιας χρήσης στην Ελλάδα είναι η αγορά ηλεκτρισμού από το εθνικό δίκτυο και η καύση κάποιου καυσίμου σε λέβητα ή κλίβανο για την παραγωγή θερμότητας. Όμως η πρωτογενής κατανάλωση καυσίμων μπορεί να μειωθεί σημαντικά εάν εφαρμοστεί η μέθοδος της συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Συμπαραγωγή είναι η ταυτόχρονη εκμετάλλευση ηλεκτρισμού και θερμότητας από το σύστημα παραγωγής ενέργειας. Τα συστήματα συμπαραγωγής μπορούν να οδηγήσουν σε αξιοσημείωτη αύξηση των ενεργειακών αποθεμάτων επιτυγχάνοντας υψηλό βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με το βαθμό απόδοσης των συμβατικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας που παράγουν ξεχωριστά θερμότητα και ηλεκτρισμό. Η εγκατάσταση συστημάτων συμπαραγωγής είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα σε μεγάλα κτίρια ή συγκροτήματα κτιρίων, τα οποία έχουν μεγάλες θερμικές απαιτήσεις και σχετικά σταθερό φορτίο για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Τα νοσοκομεία και τα μεγάλα κτίρια γραφείων διαθέτουν αυτά τα στοιχεία και ως εκ τούτου, η μελέτη εγκατάστασης συστήματος συμπαραγωγής σε αυτά κρίνεται ιδιαίτερα σκόπιμη, τόσο από ενεργειακής όσο και από οικονομικής απόψεως. Ο περιορισμός της πρωτογενούς κατανάλωσης καυσίμου και η μείωση, τουλάχιστον σε σφαιρική κλίμακα, των ρύπων δεν είναι επαρκή κίνητρα για μία επένδυση σε σύστημα συμπαραγωγής. Θα πρέπει και η ίδια η επένδυση να είναι οικονομικά βιώσιμη. Οπότε δεν αρκεί η ενεργειακή θεώρηση της εγκατάστασης συμπαραγωγής, αλλά θα πρέπει να συνοδεύεται από την οικονομική ανάλυση του ενεργειακού συστήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η οικονομική σκοπιμότητα πιθανής εγκατάστασης μονάδας ΣΗΘ στον χώρο του Α.Π.Θ. για την κάλυψη των θερμικών φορτίων του πανεπιστημιακού νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ και του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής. Μέσω προσομοιώσεων, επιδιώκεται η διαστασιολόγηση του συστήματος συμπαραγωγής ώστε να μεγιστοποιηθεί το οικονομικό όφελος της εγκατάστασης ενός τέτοιου συστήματος. Ευχαριστίες θα ήθελα να αποδοθούν στην δρ. Σοφία Ναταλία Μποέμη και τον καθηγητή Άγι Μ. Παπαδόπουλο για τη συμπαράσταση που παρείχαν κατά την επίβλεψη της διπλωματικής εργασίας. v

6 vi ΕΜΘΠM

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... V ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Ιστορική Αναδρομή Συμπαραγωγής Η Συμπαραγωγή στην Ελλάδα Τρόποι λειτουργίας των συστημάτων ΣΗΘ Τεχνικές συμπαραγωγής Συστήματα αεριοστρόβιλου ανοικτού κύκλου Συστήματα αεριοστρόβιλου κλειστού κύκλου Συστήματα με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης Τηλεθέρμανση Εναέρια τοποθέτηση σωληνώσεων τηλεθέρμανσης Υπόγεια τοποθέτηση σωληνώσεων τηλεθέρμανσης Διαστασιολόγηση συστήματος τηλεθέρμανσης Εφαρμογές της συμπαραγωγής Σύστημα ηλεκτρισμού της χώρας Βιομηχανικός τομέας Εμπορικός κτιριακός τομέας (τριτογενής τομέας) Αγροτικός τομέας Στρατηγικές λειτουργίας των συστημάτων ΣΗΘ Χαρακτηριστικά Εκπομπών από τη χρήση ΣΗΘ Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Συμπαραγωγής Νομικό πλαίσιο για τη λειτουργία της συμπαραγωγής στην Ελλάδα ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΩΝ ΓΡΑΦΕΙΩΝ Ενεργειακές απαιτήσεις νοσοκομείων Απαιτήσεις Κανονισμών για τις Νοσοκομειακές Μονάδες

8 2.2. Οι βασικές θερμικές ενεργειακές καταναλώσεις σε νοσοκομεία Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας στο συγκρότημα πλύσης ρούχων Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας στην αποστείρωση Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας για ζεστό νερό χρήσης Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας για θέρμανση χώρων Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας για ύγρανση Οι βασικές θερμικές ενεργειακές καταναλώσεις σε κτίρια γραφείων ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟΥ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΟΥ ΓΡΑΦΕΙΩΝ Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ Περιγραφή συστημάτων παραγωγής θερμικής ενέργειας του νοσοκομείου Το κτίριο Δ της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ Περιγραφή συστημάτων παραγωγής θερμότητας στο κτίριο Δ Ενεργειακές καταναλώσεις εξεταζόμενων κτιρίων Στρατηγική λειτουργίας της εγκατάστασης ΣΗΘ Υπολογιστικό πρόγραμμα προσομοίωσης EnergyPRO Διαδικασία εκτέλεσης του προγράμματος προσομοίωσης και εισαγωγή ενεργειακών δεδομένων Οικονομική αξιολόγηση της εγκατάστασης Οικονομικά Δεδομένα που επιλέχτηκαν για την αξιολόγηση ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Ενεργειακά Αποτελέσματα Οικονομικά Αποτελέσματα ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ Επιλογή βέλτιστης διάταξης Διαστασιολόγηση Στοιχείων Εγκατάστασης Διαστασιολόγηση Θερμοδοχείου Διαστασιολόγηση Γραμμής Μεταφοράς Θερμότητας Εκτίμηση μείωσης πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας Οικονομικά χαρακτηριστικά

9 5.5. Σύγκριση βέλτιστης εγκατάστασης συμπαραγωγής με τηλεθέρμανση του κτιρίου Δ και χωρίς ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ενεργειακά Συμπεράσματα Οικονομικά συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ

10 10 ΕΜΘΠM

11 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Η ΣΗΘ δεν αποτελεί μια συγκεκριμένη τεχνολογία, αλλά περισσότερο μια εφαρμογή τεχνολογιών για την κάλυψη των αναγκών θέρμανσης ή/και ψύξης, καθώς και μηχανικής ή/και ηλεκτρικής ενέργειας των τελικών χρηστών. Ο πληρέστερος ορισμός της συμπαραγωγής, είναι: Συμπαραγωγή (συνδυασμένη παραγωγή) Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ). Με άλλα λόγια, τα συστήματα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας αφορούν σε τεχνολογίες για την «ταυτόχρονη παραγωγή εκμεταλλεύσιμης και αξιοποιήσιμης ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας (η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για θέρμανση όσο και για ψύξη ή και κλιματισμό), από την ίδια ενεργειακή πηγή, με σκοπό τη μεγιστοποίηση του οφέλους που προκύπτει από τη συμπαραγωγή». Συνεπώς, ένα τέτοιο σύστημα απαιτεί λιγότερη πρωτογενή ενέργεια από ένα σύστημα ξεχωριστής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Στα συστήματα ΣΗΘ ο βαθμός απόδοσης φτάνει το 80-85%, με δυνατότητες να φτάσει ή ακόμη και να ξεπεράσει και το 90%. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας κατά 15-40% σε σύγκριση με τους συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, λόγω της αξιοποίησης μεγάλων ποσών θερμότητας που, διαφορετικά, θα αποβαλλόταν στο περιβάλλον υπό μορφή απωλειών ενέργειας. Στα σχήματα 1.1. και 1.2. παρουσιάζεται διαγραμματικά η ροή πρωτογενούς ενέργειας σε ένα σύστημα συμπαραγωγής σε σχέση με την συμβατική λύση της ξεχωριστής παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Σχήμα 1.1.: Συμβατικό ενεργειακό σύστημα έναντι ΣΗΘ.[1] 11

12 Σχήμα 1.2.: Σύγκριση βαθμού απόδοσης συμπαραγωγής με χωριστή παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας.[2] Τα συστήματα Συμπαραγωγής μπορούν να εγκατασταθούν σε ενεργοβόρες βιομηχανίες, στον τριτογενή τομέα (νοσοκομεία, ξενοδοχεία, μεγάλα κτίρια, αθλητικά κέντρα, κλπ), ή να καλύψουν τις θερμικές και ηλεκτρικές ανάγκες μιας αστικής περιοχής, μέσω συστημάτων τηλεθέρμανσης /τηλεψύξης. Ως ενεργειακή πηγή μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε καύσιμο. Σήμερα ωστόσο, στα πλαίσια της προσπάθειας εξοικονόμησης ενέργειας, φυσικών πόρων και προώθησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), κρίνεται αποδοτικότερη και συμφέρουσα η χρήση καυσίμων, όπως η Βιομάζα και το Φυσικό Αέριο, που είναι φιλικότερα προς το περιβάλλον Ιστορική Αναδρομή Συμπαραγωγής Η συμπαραγωγή πρωτοεμφανίστηκε στην Ευρώπη και στις Η.Π.Α. γύρω στα Κατά τις πρώτες δεκαετίες του 20ού αιώνα, οι περισσότερες βιομηχανίες είχαν δικές τους μονάδες ηλεκτροπαραγωγής με ατμολέβητα στρόβιλο, που λειτουργούσαν με άνθρακα. Πολλές από τις μονάδες αυτές ήταν συμπαραγωγές. Αναφέρεται χαρακτηριστικά ότι περίπου το 58% του ηλεκτρισμού, που παραγόταν σε βιομηχανίες των Η.Π.Α. στις αρχές του αιώνα, προερχόταν από μονάδες συμπαραγωγής. Κατόπιν ακολούθησε κάμψη κυρίως για δύο λόγους: 12

13 α ) ανάπτυξη των δικτύων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρισμού, που προσέφεραν σχετικά φθηνή και αξιόπιστη ηλεκτρική ενέργεια και β ) διαθεσιμότητα υγρών καυσίμων και φυσικού αερίου σε χαμηλές τιμές, που έκανε τη λειτουργία λεβήτων οικονομικά συμφέρουσα. Συνεχίζοντας με το παράδειγμα των Η.Π.Α., η βιομηχανική συμπαραγωγή μειώθηκε στο 15% του όλου δυναμικού ηλεκτροπαραγωγής μέχρι το 1950 και έπεσε στο 5% μέχρι το Η κάμψη αυτή έχει πλέον αντιστραφεί σε ανάκαμψη όχι μόνον στις Η.Π.Α. αλλά και σε χώρες της Ευρώπης, στην Ιαπωνία κ.α., γεγονός το οποίο οφείλεται κυρίως στην απότομη αύξηση των τιμών των καυσίμων, από το 1973 και μετά. Η ανοδική πορεία στη διάδοση της συμπαραγωγής συνοδεύτηκε και από αξιοσημείωτη πρόοδο της σχετικής τεχνολογίας. Οι βελτιώσεις και εξελίξεις συνεχίζονται και νέες τεχνικές αναπτύσσονται και δοκιμάζονται, αλλά ήδη η συμπαραγωγή έχει φθάσει σε επίπεδο ωριμότητας με αποδεδειγμένη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Μια μεγάλη ποικιλία συστημάτων, από πλευράς είδους, μεγέθους και λειτουργικών χαρακτηριστικών, είναι διαθέσιμη Η Συμπαραγωγή στην Ελλάδα Η Συμπαραγωγή στην Ελλάδα ξεκινά από τις αρχές του 20ου αιώνα, όταν στο Βόλο και ειδικότερα στην κεραμοποιεία Τσαλαπάτα εγκαταστάθηκε, από Βέλγους μηχανικούς, σύστημα Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας για τις ανάγκες της, που λειτούργησε μέχρι και τα τέλη της δεκαετίας του 70. Σε ευρύτερη κλίμακα, οι πρώτες μονάδες Συμπαραγωγής εγκαταστάθηκαν σε μεγάλες ελληνικές βιομηχανίες στις αρχές της δεκαετίας του '70. Σήμερα, λειτουργούν μονάδες Συμπαραγωγής σε βιομηχανίες ζάχαρης και χάρτου, διυλιστήρια πετρελαίου, κλωστοϋφαντουργίες, κ.λπ. Επίσης, ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες της ΔΕΗ έχουν τροποποιηθεί κατάλληλα, ώστε να καλύπτουν τις θερμικές ανάγκες αστικών περιοχών με τα δίκτυα τηλεθέρμανσης, όπως τα δίκτυα της Κοζάνης, της Πτολεμαΐδας, του Αμυνταίου και της Μεγαλόπολης. Αναλύοντας τα στοιχεία των εγκαταστάσεων μέχρι σήμερα φαίνεται ότι από το 1990 και μετά σημειώνονται σημαντικές βελτιώσεις στις εγκαταστάσεις ΣΗΘ στις ελληνικές βιομηχανίες. Η βελτίωση δεν ήταν μόνον ποιοτική αλλά και ποσοτική (αύξηση εγκατεστημένης ισχύος) σε επίπεδο βιομηχανίας. Μετά τα μέσα της δεκαετίας του 1990, η άφιξη του φυσικού αερίου στην Ελλάδα και οι δυνατότητες που προσφέρει η τεχνολογία της Συμπαραγωγής, οδήγησαν στη δραστηριοποίηση ενός σημαντικού αριθμού εταιρειών ή οργανισμών, με στόχους την ενημέρωση του επιχειρηματικού κόσμου, την παροχή συμβουλευτικών υπηρεσιών για τη μελέτη και κατασκευή εγκαταστάσεων συμπαραγωγής με το «κλειδί στο χέρι», τη συντήρηση, λειτουργία και εκμετάλλευση εγκαταστάσεων συμπαραγωγής. Στην Ελλάδα η συμμετοχή της ΣΗΘ στην παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι σήμερα της τάξης του 2% και στην εγκατεστημένη ισχύ είναι επίσης της τάξης του 2%, σε αντίθεση με τις άλλες Ευρωπαϊκές χώρες, όπου 11 χώρες παράγουν πάνω από το 20% της ηλεκτρικής 13

14 τους ενέργειας από ΣΗΘ και 4 χώρες πάνω από 50%. Ο Ευρωπαϊκός μέσος όρος είναι γύρω στο 10%.[3] 1.2. Τρόποι λειτουργίας των συστημάτων ΣΗΘ Ένα σύστημα συμπαραγωγής αποτελείται κυρίως από τέσσερα στοιχεία: Τον κινητήρα (prime mover): Ο κινητήρας κινεί τη γεννήτρια. Μπορεί να είναι ατμοστρόβιλος, αεριοστρόβιλος, παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης, συνδυασμένου κύκλου, κυψέλες καυσίμου, μηχανή Stirling ή micro-turbine. Το σύστημα ανάκτησης θερμότητας : σύστημα που ανακτά την απορριπτόμενη θερμότητα από τα ρευστά που έχουν σχέση με τη λειτουργία της μηχανής (με εναλλάκτες ανάκτησης θερμότητας) και από τα καυσαέρια (με λέβητα ανάκτησης θερμότητας που αποκαλείται και λέβητας καυσαερίων). Τη γεννήτρια: Παράγει την ηλεκτρική ενέργεια. Μπορεί να είναι σύγχρονη, ασύγχρονη ή αυτοδιεγειρόμενη ασύγχρονη. Το σύστημα ελέγχου: Μέσω αυτού διασφαλίζεται η ασφαλής και ικανοποιητική λειτουργία του συστήματος συμπαραγωγής. Με βασικό, αλλά και ταυτόχρονα πολύ γενικό κριτήριο την προτεραιότητα που δίνεται στην παραγωγή της ηλεκτρικής ή της θερμικής ενέργειας σε ένα σύστημα συμπαραγωγής, υπάρχουν δύο γενικοί χαρακτηρισμοί: Τα συστήματα «κορυφής» (topping systems), Τα συστήματα «βάσης» (bottoming systems). Στα συστήματα κορυφής, ρευστό υψηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού, ενώ η αποβαλλόμενη θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιείται σε θερμικές διεργασίες, θέρμανση χώρων ή ακόμη και για την παραγωγή πρόσθετης ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα κορυφής είναι τα πιο διαδεδομένα στον εμπορικό τομέα. Στα συστήματα βάσης, παράγεται πρώτα θερμική ενέργεια υψηλής θερμοκρασίας και κατόπιν τα θερμά αέρια διοχετεύονται συνήθως σε λέβητα ανακομιδής θερμότητας, όπου παράγεται ατμός που κινεί ατμοστροβιλογεννήτρια. Επίσης, είναι δυνατόν τα θερμά αέρια να διοχετευτούν σε αεριοστρόβιλο, που κινεί την ηλεκτρογεννήτρια χωρίς την παρεμβολή λέβητα. 14

15 Σχήμα 1.3.: Ενδεικτικές θερμοκρασιακές στάθμες συστημάτων συμπαραγωγής.[2] Υπάρχουν τέσσερεις τύποι συστημάτων συμπαραγωγής κύκλου αιχμής: Στον πρώτο τύπο τα καύσιμα καταναλώνονται σε έναν αεριοστρόβιλο ή μια μηχανή diesel για την παραγωγή ηλεκτρικής ή μηχανικής ισχύος. Τα καυσαέρια παρέχουν θερμότητα για διεργασίες, ή οδηγούνται σε ένα λέβητα ανάκτησης θερμότητας όπου παράγεται ατμός για τη λειτουργία ενός δευτερεύοντος ατμοστρόβιλου. Αυτό είναι ένα σύστημα αιχμής συνδυασμένου κύκλου. Ο δεύτερος τύπος συστήματος καταναλώνει καύσιμα (οποιουδήποτε είδους) για την παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης που στη συνέχεια οδηγείται σε ατμοστρόβιλο παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Η εξαγωγή παρέχει ατμό διεργασιών χαμηλής πίεσης. Αυτό είναι ένα ατμοστροβιλικό σύστημα αιχμής. Ο τρίτος τύπος καταναλώνει καύσιμα όπως είναι το φυσικό αέριο, το diesel, τα ξύλα, ο αεριοποιημένος άνθρακας, ή το αέριο ΧΥΤΑ. Το ζεστό νερό από το σύστημα ψύξης των χιτωνίων της μηχανής οδηγείται σε έναν λέβητα ανάκτησης θερμότητας, όπου μετατρέπεται σε ατμό διεργασιών και ζεστό νερό για θέρμανση χώρων. Ο τέταρτος τύπος είναι ένα αεριοστροβιλικό σύστημα αιχμής. Ένας στρόβιλος φυσικού αερίου οδηγεί μια γεννήτρια και τα καυσαέρια οδηγούνται σε ένα λέβητα ανάκτησης θερμότητας όπου παράγεται ατμός και θερμότητα διεργασιών. Σε μία μονάδα κύκλου αιχμής χρησιμοποιούνται πάντοτε κάποια πρόσθετα καύσιμα, πέραν αυτών που απαιτούνται για την παραγωγική διεργασία, και έτσι υφίσταται ένα λειτουργικό κόστος που σχετίζεται με την ηλεκτροπαραγωγή. Τα συστήματα «βάσης» είναι πολύ λιγότερο συνηθισμένα από τα αντίστοιχα «κορυφής». Τέτοια συστήματα συναντώνται σε βαριές βιομηχανίες, όπως αυτές του γυαλιού ή οι μεταλλουργικές, όπου χρησιμοποιούνται φούρνοι πολύ υψηλών θερμοκρασιών. Ένας λέβητας ανάκτησης της απόβλητης θερμότητας συλλέγει τη θερμότητα που αποβάλλεται από κάποια θερμική παραγωγική διεργασία. Αυτή η απορριπτόμενη θερμότητα χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να παραχθεί ατμός ο οποίος κινεί έναν ατμοστρόβιλο που παράγει 15

16 ηλεκτρισμό. Δεδομένου ότι το καύσιμο καίγεται πρώτα κατά την παραγωγική διεργασία, δεν απαιτείται καμία πρόσθετη ποσότητα καυσίμου για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 1.4.: Σχεδιάγραμμα λειτουργίας ενός τυπικού συστήματος κορυφής.[2] Σχήμα 1.5.: Σχεδιάγραμμα λειτουργίας ενός τυπικού συστήματος βάσης.[2] 1.3. Τεχνικές συμπαραγωγής Τα συστήματα συμπαραγωγής συνήθως ταξινομούνται βάσει του κινητήρα (prime mover), της γεννήτριας και του καυσίμου που χρησιμοποιούν. Με κριτήριο τον κινητήρα, είναι διαθέσιμες διάφορες τεχνικές συμπαραγωγής, οι οποίες είναι: 16

17 Σχήμα 1.6.: Τεχνικές συμπαραγωγής.[2] (*) Οι μοντέρνες τεχνικές δεν είναι ακόμα ώριμες διαδικασίες για να μπουν σε εφαρμογή. Οι περισσότερες από αυτές βρίσκονται στο στάδιο της έρευνας και ανάπτυξης. (**) Αυτή η τεχνολογία κατατάσσεται στους αεροστρόβιλους, παρόλα αυτά είναι πολύ πρόσφατη τεχνολογία Συστήματα αεριοστρόβιλου ανοικτού κύκλου O θερμοδυναμικός κύκλος που σχετίζεται με την πλειοψηφία των αεριοστροβιλικών συστημάτων είναι ο κύκλος Brayton (γνωστός και ως Joule cycle), στον οποίο ο ατμοσφαιρικός αέρας, που είναι το εργαζόμενο μέσο, διέρχεται από τον στρόβιλο μόνο μία 17

18 φορά. Οι θερμοδυναμικές διεργασίες του κύκλου Brayton περιλαμβάνουν τη συμπίεση του ατμοσφαιρικού αέρα, την εισαγωγή και ανάφλεξη του καυσίμου, και την εκτόνωση των θερμών καυσαερίων μέσω του στροβίλου. Η αναπτυσσόμενη ισχύς χρησιμοποιείται για την κίνηση του συμπιεστή και της ηλεκτρογεννήτριας. Οι περισσότερες αεριοστροβιλικές μονάδες είναι ανοικτού τύπου: αέρας αναρροφάται από την ατμόσφαιρα, συμπιέζεται και οδηγείται στο θάλαμο καύσης. Τα καυσαέρια εκτονώνονται στον αεριοστρόβιλο (που κινεί τη γεννήτρια), από τον οποίο βγαίνουν με θερμοκρασία ο C. Η σημαντική ισχύς που απαιτείται για την κίνηση του συμπιεστή και η υψηλή θερμοκρασία εξόδου των καυσαερίων είναι οι κύριες αιτίες του μικρού βαθμού απόδοσης ενός τέτοιου συστήματος ηλεκτροπαραγωγής (25-35% και σε σύγχρονες προηγμένες μονάδες 40%). Σχήμα 1.7.: Σύστημα συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο ανοικτού κύκλου.[14] Η υψηλή θερμοκρασία των καυσαερίων κάνει τις μονάδες αυτές ιδανικές για συμπαραγωγή αυξάνοντας το βαθμό απόδοσης στο 60-80%. Η εκμετάλλευση της θερμότητας των καυσαερίων γίνεται είτε με άμεση χρήση σε θερμικές διεργασίες (θέρμανση, ξήρανση, κλπ.), είτε με διοχέτευση αυτών σε λέβητα ανακομιδής θερμότητας (λέγεται και λέβητας καυσαερίων). Εκεί παράγεται ατμός υψηλών χαρακτηριστικών, που είναι κατάλληλος όχι μόνο για θερμικές διεργασίες αλλά και για την κίνηση ατμοστροβίλου συνδεδεμένου με γεννήτρια ή άλλο μηχάνημα (σύστημα συνδυασμένου κύκλου). Τα συστήματα συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο ανοικτού κύκλου έχουν ισχύ 100kW- 100MW. Λειτουργούν συνήθως με φυσικό αέριο ή ελαφρά αποστάγματα πετρελαίου, ενώ ευοίωνες παρουσιάζονται οι προοπτικές για χρήση γαιανθράκων σε εξαεριωμένη μορφή. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει δοθεί στο γεγονός ότι τα πτερύγια του στροβίλου είναι άμεσα εκτεθειμένα στα καυσαέρια, επομένως τα προϊόντα καύσης δεν πρέπει να περιέχουν 18

19 συστατικά που προκαλούν διάβρωση και τα στερεά σωματίδια πρέπει να είναι αρκετά μικρού μεγέθους ώστε να μην προκαλούν φθορά κατά την πρόσκρουσή τους στα πτερύγια. Ο χρόνος εγκατάστασης των συστημάτων συμπαραγωγής αεριοστρόβιλων είναι 9-14 μήνες για ισχύς μέχρι 7MW και φθάνει τα δύο έτη για μεγαλύτερες μονάδες. Η αξιοπιστία προσεγγίζει το 95% και η μέση διαθεσιμότητα το 90-95%. Η χρήσιμη διάρκεια ζωής είναι έτη και μπορεί να μειωθεί σημαντικά από καύσιμο κακής ποιότητας ή ανεπαρκή συντήρηση. Ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης είναι της τάξεως του 40%, ενώ ο ολικός βαθμός απόδοσης κυμαίνεται στην περιοχή του 60-80%. Ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης είναι υψηλότερος τόσο στο πλήρες φορτίο όσο και σε μερικό φορτίο, αλλά η μείωσή του σε μερικό φορτίο είναι πιο έντονη από εκείνη των συστημάτων ατμοστροβίλου. Τέλος, ο λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα είναι υψηλότερος από αυτόν του συστήματος ατμοστροβίλου Συστήματα αεριοστρόβιλου κλειστού κύκλου Στα συστήματα αεριοστρόβιλου κλειστού κύκλου, το εργαζόμενο ρευστό (συνήθως ήλιο ή αέρας) κυκλοφορεί σε κλειστό κύκλωμα. Θερμαίνεται μέχρι την κατάλληλη θερμοκρασία σε εναλλάκτη θερμότητας, πριν από την είσοδο στον αεριοστρόβιλο, και ψύχεται μετά την έξοδό του από αυτόν. Καθώς το ρευστό δεν συμμετέχει στην καύση διατηρείται καθαρό και έτσι αποφεύγεται η μηχανική και χημική διάβρωση του αεριοστρόβιλου από τα προϊόντα της καύσης. Η εξωτερική καύση επιτρέπει τη χρήση οποιουδήποτε καυσίμου στα συστήματα αυτά: άνθρακα, απόβλητα βιομηχανιών ή πόλεων, βιομάζα, υγρά ή αέρια καύσιμα παραγόμενα από βιομάζα, κλπ.. Πυρηνική ή ηλιακή ενέργεια μπορούν επίσης να αποτελέσουν πηγή θερμότητας. Σχήμα 1.8.: Σύστημα συμπαραγωγής με αεριοστρόβιλο κλειστού τύπου.[14] 19

20 Η αξιοπιστία των συστημάτων κλειστού τύπου προβλέπεται ότι θα είναι τουλάχιστον ίση με εκείνη των συστημάτων ανοικτού κύκλου, ενώ η διαθεσιμότητα θα είναι υψηλότερη χάρη στις μικρότερες απαιτήσεις συντήρησης, που οφείλονται στην καθαρότητα του εργαζόμενου ρευστού. Ο βαθμός απόδοσης και ο λόγος ηλεκτρισμού προς θερμότητα βρίσκονται περίπου στα ίδια επίπεδα με εκείνα των συστημάτων ανοικτού κύκλου. Τα συστήματα κλειστού κύκλου έχουν το πλεονέκτημα ότι ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης δεν μειώνεται σε μερικό φορτίο. Εικόνα 1.1.: ΣΗΘ με αεριοστρόβιλο. Συνοπτικά για τα συστήματα αεριοστρόβιλου έχουμε : Πλεονεκτήματα: Χαμηλό αρχικό κόστος Μεγάλη διαθεσιμότητα Υψηλός βαθμός απόδοσης σε μεγάλα μεγέθη Ικανότητα αλλαγής καυσίμου Γρήγορη κατασκευή και εγκατάσταση Μικρό βάρος και όγκος Υψηλή θερμοκρασία καυσαερίων Άμεση ανταπόκριση σε μεταβολές φορτίου Μειονεκτήματα: Ανάγκη για καυσαέριο «υψηλής ποιότητας» Ανάγκη για εξειδικευμένο προσωπικό λειτουργίας Ανάγκη για υψηλή πίεση φυσικού αερίου εάν εφόσον αυτό είναι το καύσιμο που χρησιμοποιείται. 20

21 Συστήματα με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης Ένας τρόπος διάκρισης αυτών των συστημάτων είναι βασισμένος στον κύκλο εσωτερικής καύσης της μηχανής. Υπάρχουν δύο κύκλοι, ο Diesel και ο Otto. Τα κύρια μηχανικά μέρη των μηχανών κύκλου Otto και Diesel είναι τα ίδια. Και οι δύο χρησιμοποιούν ένα κυλινδρικό θάλαμο καύσης κατά μήκος του οποίου κινείται ένα κατάλληλα εφαρμοσμένο έμβολο. Στον κύκλο Otto χρησιμοποιείται ένας σπινθηριστής για την ανάφλεξη ενός έτοιμου μίγματος αέρα καυσίμου που εισάγεται στον κύλινδρο. Από την άλλη, μια μηχανή Diesel συμπιέζει τον αέρα που εισάγεται στον κύλινδρο σε υψηλή πίεση, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του στα επίπεδα της θερμοκρασίας ανάφλεξης του καυσίμου που εγχέεται υπό υψηλή πίεση. Οι μηχανές Otto αποκαλούνται και αεριομηχανές (gas engines) καθώς λειτουργούν με αέριο καύσιμο, όπως φυσικό αέριο, βιοαέριο, κτλ. Ο κύκλος Diesel λειτουργεί σε υψηλότερη θερμοκρασία και πίεση από τον Otto. Για αυτόν τον λόγο στον κύκλο Diesel χρησιμοποιούνται βαρύτερα καύσιμα όπως πετρέλαιο, μαζούτ, κατάλοιπα από την απόσταξη του πετρελαίου κτλ. Ένας άλλος τρόπος διάκρισης βασισμένος στο μέγεθος της μηχανής είναι : Μονάδες μικρής κλίμακας με αεριομηχανή ( kW) ή κινητήρα Diesel ( kW) Συστήματα μέσης ισχύος ( kW) με αεριομηχανή ή κινητήρα Diesel Συστήματα μεγάλης ισχύος ( άνω των 6000kW) με κινητήρα Diesel Τα καυσαέρια των κινητήρων βρίσκουν είτε άμεση είτε έμμεση χρήση. Η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι ο C, δηλαδή αισθητά χαμηλότερη από εκείνη του αεριοστρόβιλου, για αυτό και κάνει πιο συχνή την ανάγκη για συμπληρωματική θερμότητα. Αυτή αποκτάται είτε με τοποθέτηση καυστήρα και προσαγωγή αέρα για καύση συμπληρωματικού καυσίμου στο λέβητα καυσαερίων, είτε με εγκατάσταση βοηθητικού λέβητα. Το σχήμα 1.9. απεικονίζει ένα γενικό διάγραμμα ροής ενός τέτοιου συστήματος, χωρίς να αποτελεί τη μόνη δυνατή διάταξη. Ο κινητήρας κινεί τη γεννήτρια. Τέσσερις εναλλάκτες ανακτούν θερμότητα από ρευστά που έχουν σχέση με τη λειτουργία της μηχανής: ψυγείο λαδιού, ψυγείο νερού (του κλειστού κυκλώματος του κινητήρα), ψυγείο αέρα υπερπλήρωσης και εναλλάκτης ανακομιδής θερμότητας από τα καυσαέρια του κινητήρα (ή λέβητας καυσαερίων). Με τη θερμότητα αυτή θερμαίνεται το νερό που προορίζεται για διάφορες χρήσεις. Η συγκέντρωση ισχύος του κινητήρα αυξάνει με υπερπλήρωση του θαλάμου καύσης. Ο στροβιλοσυμπιεστής (λέγεται και ζεύγος υπερπλήρωσης) αποτελείται από αεριοστρόβιλο που κινείται με τα καυσαέρια του κινητήρα και κινεί φυγοκεντρικό αεροσυμπιεστή. Για να αυξηθεί ο βαθμός πληρότητας των κυλίνδρων, ο αέρας ψύχεται σε ειδικό ψυγείο προσφέροντας θερμότητα στο νερό χρήσης. Διακρίνονται δύο περιπτώσεις από πλευράς θερμοκρασίας εξόδου του αέρα από το ψυγείο: χαμηλή θερμοκρασία (περίπου 45 ο C) ή υψηλή θερμοκρασία (περίπου 90 ο C). Η χαμηλή θερμοκρασία συντελεί σε υψηλότερο βαθμό 21

22 πληρότητας και επομένως υψηλότερη συγκέντρωση ισχύος. Όμως, η ανακτώμενη θερμότητα βρίσκει περιορισμένη χρήση, διότι το νερό στην έξοδο του ψυγείου έχει χαμηλή θερμοκρασία. Σχήμα 1.9.: Σύστημα συμπαραγωγής με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης.[14] Όπου: ΨΛ: ψυγείο λαδιού ΨΝ: ψυγείο νερού ΨΑ: ψυγείο αέρα υπερπλήρωσης ΣΨ: συμπληρωματικό ψυγείο είτε νερού είτε αέρα ΔΤΝ: δεξαμενή τροφοδοσίας νερού Σ: σύνδεση με το δίκτυο ηλεκτρισμού Η λύση αυτή μπορεί να επιλεγεί όταν υπάρχει ανάγκη προθέρμανσης νερού, που έρχεται στο σύστημα με θερμοκρασία ο C. Εάν το νερό έρχεται στο σύστημα με θερμοκρασία ο C, τότε η λύση της υψηλής θερμοκρασίας είναι προτιμότερη από πλευράς 22

23 εκμεταλλεύσεως της ενέργειας του καυσίμου, καθώς αυξάνει τον ολικό βαθμό απόδοσης του συστήματος κατά 3-5%. Εικόνα 1.2.: Σταθμός τηλεθέρμανσης ισχύος 16ΜWe στην Θέρμη Σερρών.[24] Με ανάκτηση θερμότητας από τα τρία ψυγεία, το νερό θερμαίνεται μέχρι τους ο C. Κατόπιν έρχεται στον εναλλάκτη ανακομιδής θερμότητας των καυσαερίων, όπου θερμαίνεται μέχρι τους ο C ή και ατμοποιείται. Η ελάχιστη επιτρεπτή θερμοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του εναλλάκτη εξαρτάται από την περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείο. Για καύσιμο Diesel, το όριο είναι ο C, ενώ για φυσικό αέριο είναι ο C. Ο βαθμός απόδοσης μικρών και μεσαίων κινητήρων είναι 35-45%, ενώ σε σύγχρονους μεγάλους κινητήρες φθάνει το 50%. Ο βαθμός απόδοσης ενός συστήματος συμπαραγωγής με εμβολοφόρο κινητήρα εσωτερικής καύσης βρίσκεται στην περιοχή του 80%. Η διάρκεια ζωής είναι έτη και εξαρτάται από το μέγεθος της μονάδας, την ποιότητα του καυσίμου και την ποιότητα της συντήρησης. Οι παλινδρομικοί κινητήρες απαιτούν τακτικότερη συντήρηση από ότι τα άλλα συστήματα με αποτέλεσμα μικρότερη μέση ετήσια διαθεσιμότητα 80-90%. Είναι διαθέσιμα σε ένα μεγάλο εύρος ισχύων (75 kw - 50 MW) και μπορούν να χρησιμοποιήσουν αέρια και υγρά καύσιμα. Ο λόγος PHR κυμαίνεται από 0,8 2,4 και ο χρόνος εγκατάστασης από 9-12 μήνες. Αυτά τα χαρακτηριστικά συνέβαλαν στο να εξαπλωθούν ιδιαίτερα στον εμπορικό και κτιριακό τομέα. 23

24 Σχήμα 1.10.: Τυπικό Σύστημα ΣΗΘ με ΜΕΚ.[14] Συνοπτικά για τα συστήματα με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης έχουμε: Πλεονεκτήματα : Η ανακτώμενη θερμότητα δεν επηρεάζει τη μηχανική ενέργεια Υψηλή διαθεσιμότητα Θερμότητα διαθέσιμη σε δύο επίπεδα θερμοκρασίας (καυσαέρια και ψυκτικά υγρά μηχανής) Καλή ανταπόκριση σε μεταβολές φορτίου Πολλαπλή χρησιμότητα από πολλές μηχανές συνδεδεμένες παράλληλα Μικρός χρόνος εγκατάστασης Μεγάλη ποικιλία αέριων και υγρών καυσίμων Μειονεκτήματα: Δυσκολία στον έλεγχο θορύβου, ιδίως σε μηχανές Diesel. Πιο πολύπλοκες μηχανές από τους στροβίλους 24

25 1.4. Τηλεθέρμανση Ένα σύστημα τηλεθέρμανσης διανέμει θερμική ενέργεια από μία κεντρική πηγή σε απομακρυσμένους οικιακούς, εμπορικούς και βιομηχανικούς καταναλωτές για θέρμανση χώρων, παραγωγή θερμού νερού χρήσης ή για διάφορες διεργασίες. Στα συστήματα τηλεθέρμανσης υπάρχει μία μόνο κεντρική εγκατάσταση παραγωγής θερμότητας για ένα μικρό ή μεγάλο σύνολο κτιρίων, σε αντίθεση με τα κλασσικά συστήματα κεντρικής θέρμανσης, στα οποία η εγκατάσταση παραγωγής θερμότητας βρίσκεται στο τόπο κατανάλωσης. Η θερμότητα διανέμεται προς τα επιμέρους θερμαινόμενα κτίρια με θερμό νερό ή ατμό μέσω σωληνώσεων. Οι τρόποι τοποθέτησης των σωληνώσεων εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως εδαφολογικές συνθήκες, κατάστρωμα του δρόμου, διαασταυρώσεις, εμπόδια (σωληνώσεις νερού, ηλεκτρικού, αερία). Γενικά δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες για την τοποθέτηση επειδή οι κυριότερες επιδράσεις όπως θερμικές απώλειες, διάβρωση, στεγανότητα, ύψος υπόγειων υδάτων και βρόχινα νερά διαφέρουν κατά περίπτωση. Η σημαντικότερη απόδοση είναι η απόλυτη ασφάλεια λειτουργίας. Το χαμηλό κόστος των σωληνώσεων είναι επίσης σημαντικό για την αποδοτικότητα της εγκατάστασης Εναέρια τοποθέτηση σωληνώσεων τηλεθέρμανσης Στην εναέρια τοποθέτηση οι σωλήνες διανομής στηρίζονται πάνω σε μεταλλικά ή τσιμεντένια υποστηρίγματα. Οι σωλήνες περιβάλλονται από θερμική μόνωση και εξωτερική προστατευτική επένδυση από αλουμίνιο ή ανοξείδωτο ατσάλι ή πλαστικό φύλλο ή συνδυασμό των παραπάνω. Στην περίπτωση πλαστικών φύλλων αυτά πρέπει να είναι ανθεκτικά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Είναι ο φθηνότερος τρόπος όδευσης των σωληνώσεων. Ο έλεγχος και η συντήρηση γίνονται εύκολα, αλλά εκτός από τα αισθητικά προβλήματα εμπεριέχει και κινδύνους για ζημιές από εξωτερικούς παράγοντες π.χ. αυτοκίνητα Υπόγεια τοποθέτηση σωληνώσεων τηλεθέρμανσης Η υπόγεια τοποθέτηση λύνει τα προβλήματα αισθητικής και ασφάλειας από εξωτερικούς παράγοντες, αλλά έχει πολύ μεγαλύτερο κόστος κατασκευής, λειτουργίας και συντήρησης. Το δίκτυο διανομής πρέπει να κατασκευάζεται έτσι ώστε να μην παρουσιάζει διαρροές ενώ διάφοροι παράγοντες όπως θερμικές διαστολές, θερμικές απώλειες, υψηλές πιέσεις, υδραυλικά πλήγματα και διάβρωση πρέπει να λαμβάνονται υπόψη με πολλή προσοχή στο σχεδιασμό. Οι κυριότεροι τύποι υπόγειας τοποθέτησης είναι: 25

26 Σήραγγες από προφίλ Αποτελούνται συνήθως από βάση και καπάκι οπλισμένου σκυροδέματος. Τοποθετούνται είτε στην επιφάνεια του εδάφους είτε υπόγεια (σχήμα 1.11 ). Πρέπει να λαμβάνεται ειδική μέριμνα για την αποστράγγιση τόσο των υπόγειων όσο και των όμβριων υδάτων που εισέρχονται στις σήραγγες. Το δάπεδο κατασκευάζεται πάντοτε με κλίση προς διάφορα σημεία αποστράγγισης. Απαιτείται ειδικό δίκτυο αποστράγγισης από όλα τα χαμηλά σημεία. Οι σωλήνες περιβάλλονται από θερμική μόνωση και εξωτερική προστατευτική επένδυση από μέταλλο ή πλαστικό φύλλο. Φρεάτια επιθεώρησης τοποθετούνται σε κατάλληλες θέσεις για έλεγχο των εξαρτημάτων και της αποστράγγισης. Σχήμα 1.11.: Σήραγγες για την υπόγεια τοποθέτηση των σωληνώσεων (α) στην επιφάνεια του εδάφους (β) υπόγεια [16] Τοποθέτηση χωρίς σήραγγα Το σύστημα αυτό απαιτεί ιδιαίτερα επιμελημένη κατασκευή, γιατί τα λάθη και οι κακοτεχνίες ανιχνεύονται πολύ δύσκολα εκ των υστέρων. Οι σωληνώσεις είναι προμονωμένοι χαλύβδινοι αγωγοί με εξωτερική προστατευτική επένδυση. Τα τρία βασικά στοιχεία των αγωγών, δηλαδή το χαλυβδοσωλήνας, το θερμομονωτικό υλικό και το εξωτερικό προστατευτικό περίβλημα είναι συγκολλημένα μεταξύ τους από το εργοστάστιο παραγωγής και αποτελούν μία συμπαγή ενότητα. Επίσης όλα τα ειδικά τεμάχια του δικτύου όπως γωνίες ή διακλαδώσεις είναι προκατασκευασμένα. Η μέθοδος αυτή έχει τα πλεονεκτήματα του μικρότερου κόστους κατασκευής σε σχέση με τις άλλες, καθώς επίσης και των μικρότερων θερμικών απωλειών ειδικά εάν η τοποθέτηση των σωλήνων γίνει σε ένα επαρκές βάθος. 26

27 Εικόνα 1.3.: Σωλήνες διανομής υπόγειας τοποθέτησης χωρίς σήραγγα.[16] Διαστασιολόγηση συστήματος τηλεθέρμανσης Η διαστασιολόγηση του συστήματος τηλεθέρμανσης αφορά τον προσδιορισμό της διαμέτρου των σωλήνων μεταφοράς του θερμού νερού και των θερμικών απωλειών. Αρχικά πρέπει να προσδιοριστεί η ροή του νερού m: Έπειτα μπορεί να βρεθεί η ελάχιστη διάμετρος των σωλήνων από την εξίσωση: Όπου: m = Παροχή νερού (kg/h) Q = Μεταφερόμενη ισχύς (kw) c = Ειδική θερμότητα του νερού (kj/kgk) ΔΤ = Διαφορά θερμοκρασίας νερού προσαγωγής και επιστροφής ( ο C) ρ = Πυκνότητα νερού (kg/m 3 ) d = Διάμετρος Σωλήνα (mm) 27

28 Η απώλειες θερμότητας ανά μέτρο σωλήνες προσδιορίζονται από την εξίσωση Όπου: q = Απώλεια θερμότητας (W/m) k = Θερμική Αγωγιμότητα Μόνωσης (W/mk) ΔΤ ex = Διαφορά θερμοκρασία νερού προσαγωγής και θερμοκρασίας περιβάλλοντος d 2 = Εξωτερική Διάμετρος Σωλήνα d 1 = Εσωτερική Διάμετρος Σωλήνα 1.5. Εφαρμογές της συμπαραγωγής Η συμπαραγωγή πρωτοεμφανίστηκε γύρω στο 1890 στον βιομηχανικό τομέα, κυρίως σε χημικές βιομηχανίες και χάρτου, όπου υπάρχει συνεχής ζήτηση ηλεκτρισμού και θερμότητας. Σήμερα οι διαθέσιμες τεχνολογίες προσφέρουν μεγάλη δυνατότητα επιλογών οπότε και την δυνατότητα να εφαρμοστούν σε περισσότερους τομείς. Οι εφαρμογές της συμπαραγωγής μπορούν να καταταγούν βάσει της εγκατεστημένης ηλεκτρικής ισχύος των συστημάτων συμπαραγωγής και της περιοχής κατανάλωσης της παραγόμενης θερμικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ισχύς των συστημάτων συμπαραγωγής κυμαίνεται από 1 kwe έως 500 MWe. Για την συμπαραγωγή μεγάλης κλίμακας, δηλαδή για ισχύς μεγαλύτερες των 1 MWe, τα χαρακτηριστικά των συστημάτων προσδιορίζονται με σκοπό την βελτιστοποίηση της εφαρμογής για κάθε ξεχωριστή περίπτωση και συνήθως αφορούν εγκατάσταση τηλεθέρμανσης. Για εφαρμογές συμπαραγωγής μικρής κλίμακας, δηλαδή για ισχύς μικρότερες των 1 MWe, τα συστήματα έχουν τυποποιημένη μορφή («πακέτα»), γεγονός που διευκολύνει την εγκατάστασή τους. Τα συστήματα για βιομηχανικές εφαρμογές έχουν εύρος 1-50 MWe, αν και υπάρχουν εξαιρέσεις. Είναι δύσκολη η διάκριση ανάμεσα σε μικρή και μεγάλη κλίμακα, καθώς αυτή διαφοροποιείται από χώρα σε χώρα. Σε γενικές γραμμές όμως μπορούμε να θεωρήσουμε ότι από 1 MWe έως 10 MWe μιλάμε για συμπαραγωγή μεσαίας κλίμακας και άνω των 10 MWe για συμπαραγωγή μεγάλης κλίμακας. Οι μη βιομηχανικές εφαρμογές έχουν μεγάλο εύρος, από 1 kwe (οικιακή εφαρμογή) μέχρι 10 MWe (εφαρμογές τηλεθέρμανσης). Ισχύς μικρότερες των 1 MWe θεωρούνται εφαρμογές μικρής κλίμακας. Mini κλίμακα έχουμε για εφαρμογές μικρότερες των 500 kwe και micro για εφαρμογές μικρότερες των 20 kwe. Οι τέσσερεις κύριοι τομείς εφαρμογής της συμπαραγωγής αναλύονται παρακάτω 28

29 Πίνακας 1.1.: Κατηγοριοποίηση των εφαρμογών συμπαραγωγής βάσει της εγκατεστημένης ισχύος τους.[2] Κατηγοριοποίηση των εφαρμογών συμπαραγωγής βάσει της εγκατεστημένης ισχύος τους Κλίμακα εφαρμογής συμπαραγωγής Εύρος Ισχύος Μεγάλη > 10 MWe Μεσαία 1 MWe - 10 MWe Μικρή 500 kwe - 1 MWe Mini 20 kwe kwe Micro < 20 kwe Σύστημα ηλεκτρισμού της χώρας Σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής μπορούν να κατασκευαστούν ή να μετατραπούν σε συμπαραγωγούς και να καλύψουν τις θερμικές ανάγκες πόλεων ή οικισμών, βιομηχανιών, μονάδων αφαλάτωσης νερού, θερμοκηπίων κτλ., που βρίσκονται στην περιοχή τους. Η απόσταση των καταναλωτών θερμότητας από τον σταθμό και η διασπορά τους είναι κρίσιμης σημασίας για τη σκοπιμότητα του όλου έργου. Ειδικότερα για τη θέρμανση πόλεων και οικισμών (τηλεθέρμανση) επιπλέον της απόστασης και διασποράς, κρίσιμης σημασίας είναι και ο ετήσιος αριθμός βαθμοημερών και η απαιτούμενη θερμική ισχύς. Στις περισσότερες περιπτώσεις η οικονομική απόσταση μεταφοράς θερμικής ενέργειας δεν ξεπερνά τα 10km.Σε θερμά κλίματα, η τηλεψύξη κατά την διάρκεια του θέρους, θα μπορούσε να είναι οικονομικά εφικτή. Σε αυτή την περίπτωση η παραγόμενη θερμική ενέργεια από το σταθμό μπορεί να τροφοδοτεί έναν ψύκτη απορρόφησης ή μια μονάδα κλιματισμού. Ενδέχεται είτε οι ψύκτες να είναι κεντρικοί και να διανέμεται το κρύο νερό στους καταναλωτές, είτε να υπάρχουν τοπικές ψυκτικές μονάδες, οπότε στην τελευταία περίπτωση δεν απαιτείται ξεχωριστό δίκτυο κρύου νερού, καθώς το δίκτυο ζεστού νερού ή ατμού, θα χρησιμοποιείται όλο το χρόνο. Εικόνα 1.4.: Ατμοηλεκτρικός σταθμός της ΔΕΗ στην Πτολεμαϊδα που συμπαράγει ηλεκτρισμό και θερμότητα για τη τηλεθέρμανση της πόλης.[20] 29

30 Στην Ελλάδα έχουν κατασκευαστεί συστήματα τηλεθέρμανσης στην Πτολεμαΐδα, στην Κοζάνη, στη Μεγαλόπολη, στις Σέρρες και στο Αμύνταιο, ύστερα από τροποποίηση των ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων της ΔΕΗ Βιομηχανικός τομέας Πολλές βιομηχανικές διεργασίες απαιτούν θερμότητα, παράλληλα με τις ανάγκες για ηλεκτρισμό, για να ολοκληρωθούν. Κατατάσσονται ανάλογα με την απαιτούμενη θερμοκρασία: Διεργασίες χαμηλών θερμοκρασιών (<100 C) Διεργασίες μέτριων θερμοκρασιών ( C) Διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών ( C) Διεργασίες πολύ υψηλών θερμοκρασιών (>700 C) Οι περισσότερες βιομηχανίες με σημαντικό δυναμικό παραγωγής έχουν ορισμένες παραγωγικές διεργασίες, που παράγουν ή αποβάλλουν θερμότητα σε ικανοποιητική ποσότητα και ποιότητα (θερμοκρασιακή στάθμη), η οποία μπορεί να προστεθεί σε εκείνη που παράγεται άμεσα από το σύστημα συμπαραγωγής, με ανάκτησή της. Ορισμένες χημικές διεργασίες παράγουν καύσιμα αέρια, που μπορούν να αποτελέσουν καύσιμο είτε για τους λέβητες είτε για το ίδιο το σύστημα συμπαραγωγής. Στην Ελλάδα το σύνολο της εγκατεστημένης ηλεκτρικής ισχύος των μονάδων βιομηχανικής συμπαραγωγής είναι 245MW και αποτελεί περίπου το 2,4% τη συνολικής εγκατεστημένης ισχύος. Εικόνα 1.5.: ζάχαρης στην Ινδία το οποίο χρησιμοποιεί το απόβλητο ζαχαροκάλαμο για παραγωγή ατμού και ηλεκτρισμού ταυτόχρονα.[3] 30

31 Οι εφαρμογές της συμπαραγωγής στη βιομηχανία αναφέρονται κυρίως σε μεγάλα βιομηχανικά συστήματα (>50MWe) και μόνο στο μέλλον μπορούμε να αναμένουμε την ανάπτυξη μικρότερου και μεσαίου μεγέθους συστημάτων (1MWe 50MWe), με την ανάπτυξη νέων μικρότερων τεχνολογιών, καινοτόμων σχημάτων ενεργειακών υπηρεσιών, κ.α.[2] Εμπορικός κτιριακός τομέας (τριτογενής τομέας) Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα συστήματα συμπαραγωγής μικρής κλίμακας που εγκαθίστανται σε μεγάλα ξενοδοχεία, νοσοκομεία, πανεπιστημιουπόλεις, κολυμβητήρια, γυμναστήρια, εμπορικά κτίρια, σχολεία, κτίρια γραφείων, κατοικίες, κτλ. Κατάλληλες για την εξυπηρέτηση των κτιρίων είναι οι μονάδες συμπαραγωγής σε μορφή πακέτου. Από πλευρά αναγκών θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας ο τομέας διακρίνεται σε τρεις υποτομείς: Νοσοκομεία και ξενοδοχεία Πολυκατοικίες Κτίρια γραφείων Ο καθένας από αυτούς χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερη μορφή της καμπύλης φορτίου. Άλλου είδους κτίρια έχουν καμπύλες φορτίου, που προκύπτουν με συνδυασμό των τριών υποτομέων. Η συμπαραγωγή εδώ μπορεί να καλύπτει ανάγκες ηλεκτρισμού, θέρμανσης και ψύξης (τριπαραγωγή). Η μελέτη σκοπιμότητας και ο τελικός σχεδιασμός του συστήματος πρέπει να βασίζονται στην καμπύλη φορτίου του συγκεκριμένου κτιρίου. Οι μέγιστες τιμές ή ένας μέσος όρος των τιμών που αφορούν το φορτίο δεν επαρκούν καθώς ενδέχεται να οδηγήσουν σε λανθασμένα αποτελέσματα και επιλογές. Μελέτες σκοπιμότητας έχουν δείξει ότι στα ψυχρά κλίματα, οι μεγάλες χρονικές περίοδοι ζήτησης θερμικής ενέργειας για θέρμανση συμβάλλουν στην βιωσιμότητα των συστημάτων συμπαραγωγής. Στα θερμά κλίματα, η απαίτηση ψυκτικής ισχύος με ταυτόχρονη κάλυψη των αναγκών σε ηλεκτρισμό και θερμότητα, είναι οι παράγοντες που κάνουν ένα σύστημα συμπαραγωγής βιώσιμο. Η διαθεσιμότητα του φυσικού αερίου και των μονάδων συμπαραγωγής σε μορφή πακέτου, καθώς επίσης και η δυνατότητα παρακολούθησης εξ αποστάσεως της λειτουργίας των συστημάτων έχουν συντελέσει στην προώθηση των εφαρμογών της συμπαραγωγής στον τριτογενή τομέα. Ο ετεροχρονισμός μεταξύ ηλεκτρικού και θερμικού φορτίου στις κατοικίες καθώς και η μεταβολή της τιμής του ηλεκτρικού ρεύματος κατά τη διάρκεια του 24-ώρου, καθιστούν απαραίτητη την ύπαρξη συστήματος αποθήκευσης θερμότητας, προκειμένου να επιτευχθεί οικονομική εκμετάλλευση του συστήματος συμπαραγωγής. 31

32 Εικόνα 1.6.: Εφαρμογή Συμπαραγωγής στο νοσοκομείο ΜΗΤΕΡΑ, Ηλεκτρική Ισχύς: 490kw, Θερμική Ισχύς:890kw, Ψυκτική Ισχύς: 180 RT.[6] Στην Ελλάδα υπάρχουν, προς το παρόν, δύο πειραματικές εγκαταστάσεις, στο Ηλιακό χωριό της Λυκόβρυσης και στο Αμερικάνικο Κολλέγιο της Αγ. Παρασκευής στην Αττική. Επίσης έχει εγκατασταθεί μονάδα συμπαραγωγής στο ιδιωτικό νοσοκομείο Metropolitan στην Αθήνα. Αλλαγές στο νομοθετικό πλαίσιο διαμορφώνουν ένα πιο ευνοϊκό κλίμα για περαιτέρω μελέτες στον τριτογενή τομέα. Συγκεκριμένα μελέτες σκοπιμότητας σε ελληνικά νοσοκομεία δείχνουν ότι η εγκατάσταση μονάδων συμπαραγωγής είναι συμφέρουσα όταν η παραγόμενη θερμότητα χρησιμοποιείται τόσο τον χειμώνα (για θέρμανση) όσο και το καλοκαίρι (για δροσισμό) Αγροτικός τομέας Αν και δεν είναι πολύ διαδεδομένη η συμπαραγωγή σε αυτόν τον τομέα, η εφαρμογή της ωστόσο μπορεί να εξοικονομήσει καύσιμα και να έχει θετικές οικονομικές επιπτώσεις σε αγροτικές κοινότητες. Υπολείμματα αγροτικών διεργασιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο. Πολλά υποσχόμενες εφαρμογές περιλαμβάνουν την παραγωγή αιθανόλης, την ξήρανση γεωργικών προϊόντων και την θέρμανση θερμοκηπίων, οικιών κτλ. Εικόνα 1.7.: Μονάδα Συμπαραγωγής σε θερμοκήπιο της AGRITEX στη Δράμα ηλεκτρικής ισχύος 4,8 MWel και θερμικής ισχύος 5,22 MWth (επίσης χρησιμοποιείται το CO 2 που παράγεται για επιτάχυνση της ωρίμανσης).[3] 32

33 Ενισχύει την οικονομική ανάπτυξη του τόπου, καθώς χρησιμοποιεί τοπικές πηγές ενέργειας και δημιουργεί νέες θέσεις εργασίας. Τέλος έχει ευνοϊκή επίδραση στο περιβάλλον με πολλαπλούς τρόπους.[2] 1.6. Στρατηγικές λειτουργίας των συστημάτων ΣΗΘ Οι κυριότερες στρατηγικές λειτουργίας ενός συστήματος συμπαραγωγής, δηλαδή οι τρόποι ρύθμισης της ηλεκτρικής και θερμικής ισχύος σε κάθε χρονική στιγμή, είναι τέσσερις: Παραγωγή θερμότητας ίσης με το θερμικό φορτίο «heat match»: Εάν παράγεται ηλεκτρική ενέργεια περισσότερη από το φορτίο, η περίσσεια πωλείται στο εθνικό δίκτυο. Εάν η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι μικρότερη από το φορτίο, το έλλειμμα συμπληρώνεται εξολοκλήρου από το δίκτυο παραγωγής. Παραγωγή ηλεκτρισμού ίσου με το ηλεκτρικό φορτίο «electricity match»: Εάν χρειαστεί, τοποθετείται βοηθητικός λέβητας που συμπληρώνει τις πρόσθετες ανάγκες σε θερμότητα. Επίσης, καθίσταται απαραίτητη η εγκατάσταση ψυγείων ικανών να αποβάλλουν την περίσσεια θερμότητα, εάν προκύψει ανάγκη. Μικτός τρόπος: δηλαδή παρακολούθηση άλλοτε του θερμικού (1ος τρόπος) και άλλοτε του ηλεκτρικού φορτίου (2ος τρόπος). Αυτόνομη Λειτουργία: πλήρης κάλυψη του θερμικού και ηλεκτρικού φορτίου σε κάθε χρονική στιγμή, χωρίς σύνδεση με το εθνικό δίκτυο. Αυτός ο τρόπος απαιτεί περίπλοκο σύστημα συμπαραγωγής, λόγω επαρκούς εφεδρείας, γεγονός που την καθιστά την πιο ακριβή λύση από πλευράς αρχικού κόστους, ειδικά με αέρια καύσιμα, για λόγους από άπτονται καθαρά των δυνατοτήτων του εξοπλισμού. Η επιλογή του τρόπου λειτουργίας εξαρτάται από τις ευρύτερες ανάγκες του δικτύου, τις διαθέσιμες μονάδες και τις υποχρεώσεις απέναντι στους καταναλωτές ηλεκτρισμού και θερμότητας. Γενικά, όμως, ο 1ος από τους τρόπους λειτουργίας είναι αυτός που προσφέρει την υψηλότερη ενεργειακή και οικονομική απόδοση για συστήματα ΣΗΘ τόσο στον βιομηχανικό όσο και τον εμπορικό-κτιριακό τομέα [3] Χαρακτηριστικά Εκπομπών από τη χρήση ΣΗΘ Τα κυριότερα αέρια από τη χρήση ΣΗΘ είναι τα ακόλουθα: Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ): Το CO 2 αποτελεί τη μεγαλύτερη συνιστώσα των προϊόντων της καύσης και η αύξηση των συγκεντρώσεών του στην ατμόσφαιρα, αποτελεί τη βασική αιτία του φαινομένου του θερμοκηπίου και των κινδύνων από την 33

34 κλιματική αλλαγή. Η παραγωγή του είναι ανάλογη προς την ποσότητα του καυσίμου που καίγεται και έτσι η υψηλής αποδοτικότητας ΣΗΘ οδηγεί σε σημαντική μείωση των εκπομπών του, σε σχέση με την απλή ΣΗΘ. Η εκπομπή CO 2 εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεση του καυσίμου: π.χ. η καύση λιθάνθρακα ή λιγνίτη παράγει σημαντικά υψηλότερες ποσότητες CO 2 από αυτές που παράγει η καύση φυσικού αερίου. Μονοξείδιο του άνθρακα (CO): Το CO είναι ένα δηλητηριώδες αέριο που παράγεται μέσω της ατελούς καύσης και μπορεί να περιοριστεί σε αμελητέα επίπεδα, εάν υπάρξει ικανοποιητικός έλεγχος του αέρα και του καυσίμου κατά τη διάρκεια της καύσης. Διοξείδιο του θείου (SO 2 ): Το SO 2 είναι ένα όξινο αέριο που παράγεται μόνο κατά την καύση του θείου. Θείο περιέχεται σε καύσιμα όπως το πετρέλαιο, ο άνθρακας, το βιοαέριο. Το SO 2 με την παρουσία υγρασίας μετατρέπεται σε θειικό οξύ (H 2 SO 4 ) το οποίο, εάν συμπυκνωθεί, προκαλεί τη διάβρωση των μετάλλων που χρησιμοποιούνται στην ανάκτηση της θερμότητας ή στα συστήματα εξάτμισης. Επιπλέον, είναι η αιτία της όξινης βροχής με τις γνωστές καταστρεπτικές συνέπειες. Σε εγκαταστάσεις ΣΗΘ, οι εκπομπές SO 2 δεν μπορούν να μειωθούν με τη λήψη μέτρων που αφορούν στο σχεδιασμό των κινητήρων, μπορεί όμως να εξαλειφθούν από τα καυσαέρια, μέσω εγκατάστασης μονάδας αποθείωσης. Οξείδια του αζώτου (ΝΟ x ): Τα NO x είναι ένα μίγμα των οξειδίων του αζώτου που παράγονται από την καύση οποιουδήποτε καυσίμου στον αέρα. Η σύστασή του επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες της καύσης, όπως η θερμοκρασία, ο χρόνος παραμονής και η αναλογία «αέρα / καυσίμου». Στην ατμόσφαιρα, το NO x υπόκειται σε διάφορες χημικές αντιδράσεις που οδηγούν στο σχηματισμό του όζοντος και της αιθαλομίχλης. Συμβάλλει επίσης στη δημιουργία της όξινης βροχής. Το NO x θεωρείται ένας από τους μεγαλύτερους αστικούς ρύπους, έχοντας ως βασική πηγή την κυκλοφορία των οχημάτων και τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ενδεικτικά όρια εκπομπών ΝΟ x, σε gr ανά GJ παραγόμενης χρήσιμης ενέργειας, που θέσπισε η Ολλανδική κυβέρνηση και αποδέχεται η COGEN EUROPE, δίνονται στον πίνακα 4.1. Πίνακας 1.2.: Όρια εκπομπών NΟ x.[5] Τεχνολογία Όρια με εφαρμογή το 2013 (g/gj)* Όρια με εφαρμογή το 2020 (g/gj)* Αέριο Υγρό Καύσιμο Αέριο Υγρό Καύσιμο Μηχανή Stirling *** Παλινδρομική Μηχανή 80 ** 130 ** 65 *** 100 *** Στρόβιλος 40 ** - 35 *** - Κυψέλη Καυσίμου 2,5-2 - * 1 g/gj περίπου ίσο με 2 ppm με 0% περιεκτικότητα O 2 ** Το όρια αυτών αποτελούν Ολλανδική Τεχνική Οδηγία που τέθηκε σε ισχύ το 2010 *** Ο μακροπρόθεσμος στόχος εκπομπών είναι 30 g/gj (Gothenburg) 34

35 - Άκαυστοι υδρογονάνθρακες (C n H m ): Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες παράγονται σε μεγάλο βαθμό από παλινδρομικές μηχανές ΜΕΚ. Πρόκειται για μία από τις σημαντικότερες αιτίες δημιουργίας του νέφους και του φαινομένου του θερμοκηπίου. Αντίθετα, ο σχηματισμός των NO x, CO και άκαυστων υδρογονανθράκων σχετίζεται άμεσα με τις συνθήκες καύσης και επηρεάζεται έντονα από τη θερμοκρασία, τη σχέση «αέρα/καυσίμου» και τον χρόνο παραμονής. Οι εκπομπές των NO x και CO μπορούν να μειωθούν με προσεκτικό σχεδιασμό και έλεγχο των χαρακτηριστικών καύσης. Προσαρμόζοντας τις συνθήκες καύσης για την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών εκπομπών, τίθεται σε κίνδυνο η βέλτιστη αποδοτικότητα του συστήματος. Η χρησιμοποίηση των καταλυτικών μετατροπέων μπορεί να θεωρηθεί ως η βέλτιστη λύση. Οι παραπάνω εκπομπές ρύπων από τις ΣΗΘ είναι σημαντικές όταν αυτές βρίσκονται σε ήδη βεβαρημένες περιοχές από ρύπους, παρόλα αυτά συγκρίνοντας τες με τις εκπομπές που θα υπήρχαν και τοπικά και γενικά στους χώρους παραγωγής ενέργειας θα αποδειχθούν και τα περιβαλλοντικά οφέλη από τις εγκαταστάσεις τέτοιων μονάδων.[7] 1.8. Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Συμπαραγωγής Πλεονεκτήματα Μεγαλύτερη εκμετάλλευση της ενέργειας, επιτυγχάνοντας μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης του συστήματος ΣΗΘ. Ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τα παραγόμενα καυσαέρια ιδιαίτερα των σωματιδίων του CO2 που συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σε περιπτώσεις παραγωγής βιοαερίου από αγροτικές καλλιέργειες το παραγόμενο βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ΣΗΘ παράγοντας ηλεκτρική / θερμική ενέργεια, και με τον τρόπο αυτό δεν επιβαρύνουμε το περιβάλλον. Με την εφαρμογή του συστήματος ΣΗΘ στην βιομηχανία έχουμε τεράστια εξοικονόμηση και αξιοποίηση της παραγόμενης θερμικής ενέργειας σε συστήματα τηλεθέρμανσης προς όφελος του κοινωνικού συνόλου. Εξασφαλίζει το δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτοντας τους καταναλωτές από πιθανές διακοπές ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, συμβάλλοντας στην αύξηση της αξιοπιστίας του δικτύου της ΔΕΗ. Παράλληλα επιτυγχάνεται με το σύστημα της Σ.Η.Θ μείωση της κατανάλωσης των καυσίμων κλειδί πρόκληση για την ενεργειακή πολιτική της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Περιορισμός απωλειών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας (τάξεως 8-10%) εφόσον τα συστήματα συμπαραγωγής βρίσκονται πιο κοντά στους καταναλωτές απ ότι οι κεντρικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής. Δυνατότητα ανεξαρτητοποίησης από τις μεγάλες μονάδες παραγωγής ενέργειας που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα με τεράστιες επιπτώσεις στην Εθνική οικονομία και 35

36 στο περιβάλλον. Η Σ.Η.Θ είναι το καλύτερο εργαλείο για την απελευθέρωση της ενεργειακής αγοράς. Αύξηση της απασχόλησης Μελέτες έχουν αποδείξει την αύξηση του αριθμού των εργαζόμενων στον τομέα της συμπαραγωγής. Η συμπαραγωγή μειώνει το σύνολο των δαπανών για εισαγόμενα καύσιμα, επιδρώντας θετικά στην εθνική οικονομία.[6] Μειονεκτήματα Όλα τα συστήματα συμπαραγωγής εξοικονομούν το καύσιμο διότι έχουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης από την χωριστή παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Όμως αν ένα σύστημα συμπαραγωγής εξοικονομεί ακριβό εισαγόμενο καύσιμο, πχ πετρέλαιο, εξαρτάται από το καύσιμο που το ίδιο το σύστημα συμπαραγωγής χρησιμοποιεί, και τα καύσιμα που χρησιμοποιούν τα συστήματα χωριστής παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, τα οποία θα αντικατασταθούν από το σύστημα συμπαραγωγής. Η επιλογή των συστημάτων συμπαραγωγής και των καυσίμων, που αυτά χρησιμοποιούν είναι σκόπιμο να εναρμονίζεται με μια γενικότερη εθνική ενεργειακή πολιτική. Είναι ενδεχόμενο να δημιουργήσουν προβλήματα αστάθειας του δικτύου. Τα προβλήματα αυτά περιορίζονται ή αποφεύγονται όταν το σύστημα συμπαραγωγής και η σύνδεση του με το δίκτυο πληρούν ορισμένες προδιαγραφές. Η συνεννόηση με τις αρμόδιες υπηρεσίες της ΔΕΗ είναι απαραίτητη προς το σκοπό αυτό. Η εξάπλωση της συμπαραγωγής θα μπορούσε να έχει αρνητικές οικονομικές επιπτώσεις στο εθνικό σύστημα ηλεκτρισμού, αν αυτό έχει ικανότητα παραγωγής μεγαλύτερη από τη ζήτηση ή αν ο ρυθμός αύξησης της ικανότητας με κατασκευή νέων σταθμών είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό αύξησης της ζήτησης και για διάφορους λόγους δεν μπορεί να επιβραδυνθεί. Τότε, το κόστος κεφαλαίου μοιράζεται σε μικρότερη ποσότητα παραγόμενου ηλεκτρισμού, με αποτέλεσμα την αύξηση του μοναδιαίου κόστους. Ένα τέτοιο ενδεχόμενο δεν φαίνεται να υπάρχει για την Ελλάδα διότι αφ ενός μεν μέρος των αναγκών καλύπτεται με εισαγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αφ ετέρου δε το αναπτυξιακό πρόγραμμα της ΔΕΗ είναι κυλιόμενο, δηλαδή αναθεωρείται σε τακτά χρονικά διαστήματα και επομένως μπορεί να προσαρμόζεται στις νέες συνθήκες. Όταν πολλές μικρές και διεσπαρμένες μονάδες συμπαραγωγής αντικαθιστούν μεγάλους κεντρικούς σταθμούς με υψηλές καπνοδόχους, τότε δεν είναι εξασφαλισμένη η βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος. Οι κεντρικοί σταθμοί βρίσκονται κατά κανόνα έξω από τα αστικά κέντρα και οι υψηλές καπνοδόχοι συντελούν σε ικανοποιητικό διασκορπισμό των ρύπων. Αντίθετα, οι μικρές μονάδες συμπαραγωγής, που έχουν και σχετικά χαμηλότερες καπνοδόχους, είναι εγκατεστημένες κοντά ή και μέσα στις κατοικημένες περιοχές επιβαρύνοντας το περιβάλλον τους. Η διακίνηση των καυσίμων και η απομάκρυνση των στερεών καταλοίπων της καύσης μπορεί να προκαλέσει ρύπανση του εδάφους και των υδάτων της περιοχής. Τέλος, ο θόρυβος τόσο από τη λειτουργία του ίδιου του συστήματος συμπαραγωγής όσο και από την κίνηση, που αναπτύσσεται για την εξυπηρέτησή του, αυξάνει την ηχητική ρύπανση. 36

37 1.9. Νομικό πλαίσιο για τη λειτουργία της συμπαραγωγής στην Ελλάδα Η συμπαραγωγή δίνει στον καταναλωτή σημαντική δυνατότητα της κάλυψης των τελικών ενεργειακών του αναγκών, αλλά και στον παραγωγό ηλεκτρικής ενέργειας τη δυνατότητα παραγωγής με πολύ υψηλότερη θερμοδυναμική απόδοση απ ό,τι οι παραδοσιακές μέθοδοι. Επομένως θα έπρεπε, λογικά, η ευρύτατη διάδοση των τεχνολογιών της συμπαραγωγής να εξαρτάται κυρίως από την οικονομικότητα των εμπορικά διαθέσιμων τεχνολογιών και η προσπάθεια να κατευθύνεται προς τη σταδιακή μείωση του κόστους των συστημάτων αυτών, ώστε να αυξάνει το επιχειρηματικό ενδιαφέρον. Αυτό όμως δε συνέβαινε για αρκετά χρόνια στην Ελλάδα, αφού μόνο τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση, κυρίως με τους νόμους 3468/2006 και 3851/2010. Ακολουθεί μια μικρή ανάλυση της νομοθεσίας διαχρονικά.[13] Ο Ν. 2244/94 ουσιαστικά καθόρισε την απελευθέρωση, εν μέρει, της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από μονάδες παραγωγής ισχύος μέχρι 50 MWe, οι οποίες αξιοποιούν ΑΠΕ ή είναι μονάδες ΣΗΘ. Δινόταν επίσης η δυνατότητα ΣΗΘ με φυσικό αέριο. Για τους ανεξάρτητους παραγωγούς, ο Ν. 2244/94 προέβλεπε τη δυνατότητα ΣΗΘ, με μονάδες συνδυασμένου κύκλου με καύσιμο το Φ.Α. και με ισχύ ίση το πολύ με τη θερμική και ψυκτική ισχύ των επιχειρήσεων που εξυπηρετούνται. Για τους αυτοπαραγωγούς, επιτρεπόταν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε συνδυασμό με παραγωγή θερμότητας / ψύξης με ισχύ σταθμού το πολύ ίση με τη θερμική και ψυκτική ισχύ των εγκαταστάσεων του αυτοπαραγωγού, εφόσον πρόκειται για ΣΗΘ από συμβατικά καύσιμα, και αντίστοιχα χωρίς περιορισμό ισχύος, εφόσον πρόκειται για ενεργειακή αξιοποίηση υποπαραγώγων βιομηχανικού κυκλώματος ή από ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας. Στο νόμο επιδιώχθηκε η προώθηση της ΣΗΘ με την απόδοση κινήτρων και την προσπάθεια απλούστευσης των διαδικασιών και ρυθμίζονταν θέματα σχετικά με τη διάθεση της ηλεκτρικής ενέργειας και τις άδειες εγκατάστασης και λειτουργίας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Η τιμή αγοράς της Η.Ε. οριζόταν βάσει του αντίστοιχου τιμολογίου της ΔΕΗ και προβλεπόταν ίση με το 60% του σκέλους ενέργειας. Στην περίπτωση της ανεξάρτητης ηλεκτροπαραγωγής με μονάδες ΣΗΘ καύσης ΦΑ, η τιμή αγοράς καθοριζόταν βάσει του τιμολογίου της ΔΕΗ και περιείχε σκέλος ενέργειας (70% του αντίστοιχου τιμολογίου της ΔΕΗ) και σκέλος ισχύος (70% του αντίστοιχου τιμολογίου της ΔΕΗ). Σχετικά με τις άδειες ο Νόμος προέβλεπε τη γνωμοδότηση της ΔΕΗ για την απορρόφηση της Η.Ε. και των προϋποθέσεων σύνδεσης στο Δίκτυο, οι διατάξεις του καταργήθηκαν με το Ν. 2773/99. Με το Ν.2273/99 ρυθμίζονταν και θέματα ΣΗΘ, σύμφωνα με το πνεύμα της Οδηγίας 96/92/ΕΚ, την οποία ο νόμος ενσωμάτωνε στο εθνικό θεσμικό πλαίσιο. Με το νόμο προβλεπόταν η δυνατότητα να δίνεται προτεραιότητα από την κατανομή για τη συμπαραγόμενη ηλεκτρικής ενέργεια και καθορίζονταν τα ελάχιστα κριτήρια απόδοσης για της ηλεκτρικής ενέργειας προερχόμενης από ΑΠΕ ή ΣΗΘ.[7] Ο Ν.3175/2003 δημιούργησε τις προϋποθέσεις για την αξιοποίηση του γεωθερμικού δυναμικού αλλά και για τη διανομή της θερμικής ενέργειας μέσα από δίκτυα θερμότητας, περιγράφοντας τη διαδικασία διανομής θερμικής ενέργειας σε τρίτους και καθορίζοντας την αδειοδοτική διαδικασία για τη λειτουργία δικτύων διανομής θερμότητας και ειδικότερα αυτών που σχετίζονται με εγκαταστάσεις ΣΗΘ. Με την άδεια καθορίζονται ο χρόνος ισχύος 37

38 της, η περιοχή κατασκευής του δικτύου θερμότητας, η τεχνολογία και οι όροι της διανομής θερμότητας στους καταναλωτές. Αν η θερμική ενέργεια παράγεται από εγκαταστάσεις ΣΗΘ, η Άδεια Διανομής Θερμικής Ενέργειας χορηγείται μαζί με την Άδεια Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας. Η ΚΥΑ αυτή τροποποιεί και συμπληρώνει την αντιστοίχηση των δραστηριοτήτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τους βαθμούς όχλησης που αναφέρονται στην πολεοδομική νομοθεσία. Η ΚΥΑ έλυσε το χρόνιο πρόβλημα με την αδειοδότηση της ΣΗΘ σε κτήρια, που προηγούμενα απαγορευόταν λόγω όχλησης. Η Κοινοτική Οδηγία 2004/8/EC δημιουργεί το πλαίσιο για την προώθηση συμπαραγωγής ενέργειας με βάση τη ζήτηση για χρήσιμη θερμότητα. Εισάγει την έννοια της Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας Υψηλής Αποδοτικότητας, κατηγοριοποιώντας τα συστήματα ΣΗΘ ανάλογα με την ισχύ τους σε πολύ μικρή ΣΗΘ (εώς 50 kwe), μικρή ΣΗΘ (εώς 1 MWe) και ΣΗΘ (> 1 MWe). Η Κοινοτική Οδηγία 2005/32/EC δημιουργεί το πλαίσιο για τον οικολογικό σχεδιασμό προϊόντων που καταναλώνουν ενέργεια και αφορά τα συστήματα πολύ μικρής και μικρής ΣΗΘ. Ο Ν.3468/2006 εισήγαγε νέο πλαίσιο για τη χορήγηση άδειας, παραγωγής εγκατάστασης και λειτουργίας των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΣΗΘ Υψηλής Αποδοτικότητας (ΣΗΘΥΑ). Ο νόμος αναφέρεται ρητά στη ΣΗΘ Υψηλής Αποδοτικότητας, όπως αυτή ορίζεται από την ΚΟ 2004/8/ΕΚ, απλοποιείται η αδειοδοτική διαδικασία για επενδύσεις ΣΗΘΥΑ και τίθενται αποκλειστικές προθεσμίες για την έκδοση των αδειών εγκατάστασης και λειτουργίας για έργα ΣΗΘΥΑ. Θεσμοποιείται Κανονισμός Αδειών για την παραγωγή Η.Ε. από ΣΗΘΥΑ. Καθορίζεται η τιμολόγηση της Η.Ε. που παράγεται από ΣΗΘΥΑ και απορροφάται από το σύστημα ή το Δίκτυο, με σκοπό την απεξάρτηση από τα τιμολόγια της ΔΕΗ και τη διασφάλιση των επενδύσεων. Ο νόμος έθεσε νέες βάσεις για την αδειοδότηση έργων ΣΗΘΥΑ, ιδιαίτερα στην έγκριση περιβαλλοντικών μελετών, θέτει αυστηρότερα κριτήρια για την έγκριση των ΠΠΕ/ΜΠΕ και συντομότερο χρόνο για την έγκριση των περιβαλλοντικών όρων από τις αρμόδιες κρατικές υπηρεσίες. Συμπαραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Υψηλής Απόδοσης (Σ.Η.Θ.Υ.Α) ονομάζεται η συμπαραγωγή που εξασφαλίζει εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας σε ποσοστό τουλάχιστον 10 %, σε σχέση με τη θερμική και ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στο πλαίσιο διακριτών διαδικασιών, καθώς και η παραγωγή από Μονάδες Συμπαραγωγής Μικρής και Πολύ Μικρής Κλίμακας που εξασφαλίζει εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας, ανεξάρτητα από το ποσοστό της εξοικονόμησης. Ο υπολογισμός της εξοικονόμησης πρωτογενούς ενέργειας, όπου αυτός απαιτείται, γίνεται σύμφωνα με τα οριζόμενα στην περίπτωση β του Παραρτήματος ΙΙΙ της Οδηγίας 2004/8/ΕΚ (L 52)» - Νόμος 3468/2006.[1] Ο Ν. 3734/09 ενσωματώνει πλήρως την Κοινοτική Οδηγία 2004/8/ΕΚ. Βασικές τομές του νόμου είναι η μέθοδος υπολογισμού της ηλεκτρικής ενέργειας από ΣΗΘ, ο υπολογισμός αποδοτικότητας της ΣΗΘ. Επίσης σημαντικό σημείο είναι η κατηγοριοποίηση των συστημάτων ΣΗΘΥΑ, ως προς το όριο του 1 MWe (μικρή ΣΗΘ), εγκρίνοντας ή όχι άπαξ, διάφορους τύπους μηχανών διαφόρων κατασκευαστών, για την περιβαλλοντική τους 38

39 39 ΕΜΘΠM συμπεριφορά. Έτσι, ο κάθε επενδυτής θα υποβάλλει μόνο το έγγραφο έγκρισης της μηχανής ΣΗΘΥΑ, σχετικά με την περιβαλλοντική έγκριση. Ο νόμος Ν. 3851/2010 με τίτλο «Επιτάχυνση της ανάπτυξης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και άλλες διατάξεις σε θέματα αρμοδιότητας του Υπουργείου Περιβάλλοντος, Ενέργειας και Κλιματικής Αλλαγής» προωθεί την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Σ.Η.Θ.Υ.Α. (Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης) ως εξής: α) Καθορίζει σαφώς την έννοια του παραγωγού ηλεκτρικής ενέργειας όπως φαίνεται: Παραγωγός από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. : Ο παραγωγός που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) ή από μονάδες Συμπαραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας και Θερμότητας Υψηλής Απόδοσης. Αυτοπαραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α.: Ο παραγωγός που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από μονάδες Α.Π.Ε. ή Σ.Η.Θ.Υ.Α. κυρίως για δική του χρήση και διοχετεύει τυχόν πλεόνασμα της ενέργειας αυτής στο Σύστημα ή στο Δίκτυο. Αυτόνομος παραγωγός ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε.: Ο παραγωγός που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από Α.Π.Ε. και του οποίου ο σταθμός δεν είναι συνδεδεμένος με το Σύστημα ή το Δίκτυο. (Ο ορισμός αυτός επεκτείνεται έμμεσα και για τις μονάδες συμπαραγωγής υψηλής απόδοσης) β) Η άδεια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. και Σ.Η.Θ.Υ.Α. χορηγείται για χρονικό διάστημα μέχρι είκοσι έτη και μπορεί να ανανεώνεται μέχρι ίσο χρόνο. Όμως οι παραγωγοί με Σ.Η.Θ.Υ.Α. εώς 1 MW εγκατεστημένης ισχύος απαλλάσσονται από την υποχρέωση της άδειας. γ) Καθορίζεται η τιμή της πωλούμενης στο Δίκτυο ενέργειας, συναρτήσει της τιμής του φυσικού αερίου ως εξής: Τιμή Ενέργειας ( /MWh) = 87,85*ΣΡ. ΣΡ είναι ο συντελεστής ρήτρας φυσικού αερίου ο οποίος ορίζεται ως εξής: ΣΡ = 1+(Μ.Τ.Φ.Α. - 26)/ (100*η el ) Όπου: Μ.Τ.Φ.Α.: η ανά τρίμηνο μέση μοναδιαία τιμή πώλησης φυσικού αερίου για συμπαραγωγή σε /MWh ανωτέρας θερμογόνου δύναμης (Α.Θ.Δ) στους χρήστες Φ.Α. στην Ελλάδα εξαιρουμένων των πελατών ηλεκτροπαραγωγής. Η τιμή αυτή ορίζεται με μέριμνα της Δ.Ε.Π.Α. Α.Ε. και κοινοποιείται ανά τρίμηνο στον Δ.Ε.Δ.Μ.Η.Ε. η el : ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης της διάταξης Σ.Η.Θ.Υ.Α. επί ανωτέρας θερμογόνου δύναμης (Α.Θ.Δ.) φυσικού αερίου, η οποία ορίζεται σε 0,33 για μονάδες Σ.Η.Θ.Υ.Α. > 1MWe και σε 0,35 για μονάδες Σ.Η.Θ.Υ.Α. >1MWe. Η τιμή του ΣΡ δεν μπορεί να είναι μικρότερη της μονάδας. [8][13] Όπως φαίνεται τα πλεονεκτήματα των συστημάτων Σ.Η.Θ. με καύση φυσικού αερίου στην Ελλάδα παρουσίασαν κάποια εμπόδια στη διάδοσή τους, κυρίως λόγω της ελλιπούς ενημέρωσης και υποστήριξης επενδυτών, καθώς και λόγω οικονομικής και επιχειρηματικής αδράνειας. Πλέον, όμως, υπάρχουν στελέχη επιχειρήσεων που κατέχουν την απαραίτητη γνώση του αντικειμένου, ενώ υπάρχει και εξειδικευμένο προσωπικό για τη λειτουργία αυτών

40 των συστημάτων. Οι μικρομεσαίες επιχειρήσεις δε δυσκολεύονται πια στην ετοιμασία του φακέλου μιας πρότασης προς έγκριση και ενδεχομένως και χρηματοδότηση. Ακόμη, το ύψος της αρχικής επένδυσης μειώνεται διαρκώς, ενώ στην τιμή πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας υπάρχει συγκεκριμένη πολιτική. Πλέον μπορούν να λειτουργήσουν σχήματα χρηματοδότησης από τρίτους (Third Party Financing) και οι εταιρίες παροχής ενεργειακών υπηρεσιών (Ε.Π.Ε.Υ. ή στα αγγλικά Energy Service Companies). Επιπλέον λόγω του πρόσφατου νομικού πλαισίου, διευκολύνεται η συμπαραγωγή σε Βιομηχανικές Περιοχές ή κοινοπραξίες επιχειρήσεων. Η συμπαραγωγή από ανεξάρτητους παραγωγούς επιτρέπεται όχι μόνον με τη χρήση φυσικού αερίου, αλλά και με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (πχ. Βιοκαύσιμα), με το ρόλο της Δ.Ε.Η. να είναι ιδιαιτέρως αποδυναμωμένος. 40

41 2. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΩΝ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΩΝ ΓΡΑΦΕΙΩΝ 2.1. Ενεργειακές απαιτήσεις νοσοκομείων Όπως κάθε ενεργειακό σύστημα, έτσι και το ενεργειακό σύστημα των νοσοκομείων με ξεχωριστή παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας διακρίνεται στα εξής μέρη (αν θεωρηθούν ως αμελητέες οι απώλειες στη διανομή και στην κατανάλωση: 1. Την παραγωγή ενέργειας 2. Τη διανομή ενέργειας 3. Τη χρήση ενέργειας Η εγκατάσταση παραγωγής ενέργειας σε νοσοκομεία μετατρέπει συνήθως ορυκτά καύσιμα σε θερμότητα και μερικές φορές (σε περιπτώσεις διακοπής της ηλεκτροδότησης από το δίκτυο της πόλης) σε ηλεκτρισμό. Το δίκτυο διανομής ενέργειας εφοδιάζει τα διάφορα τμήματα του νοσοκομείου σύμφωνα με τις ανάγκες τους. Στο σχήμα 2.1 δείχνεται διαγραμματικά πώς η ενέργεια διανέμεται τυπικά σε ένα νοσοκομείο με ξεχωριστή παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας, από την παραγωγή αυτής μέχρι την τελική χρήση της. Τα μεγάλα νοσοκομεία και τα νοσοκομεία που στεγάζονται σε διάφορα κτίρια, δεν διαθέτουν ένα μόνο ενεργειακό σύστημα, αλλά ένα ενεργειακό δίκτυο (υποσταθμούς θερμικής ενέργειας, υποσταθμούς ηλεκτρικής ενέργειας, συστήματα παραγωγής ενέργειας ανά κτίριο κλπ.). Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ενεργειακές απαιτήσεις ενός νοσοκομείου, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σύμφωνα με τα ειδικά τους χαρακτηριστικά, τρεις μορφές ενεργειακών πηγών: Καύσιμα: Χρησιμοποιούνται σε λέβητες αερίου, πετρελαίου, για θέρμανση χώρων, παραγωγή θερμού νερού χρήσης και ατμού. Το πετρέλαιο χρησιμοποιείται και στα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε φορτία έκτακτης ανάγκης (χειρουργεία, μονάδα εντατικής θεραπείας, κλπ.) και σε περιπτώσεις διακοπής ρεύματος από το δίκτυο της πόλης. Τα καύσιμα μπορούν, επίσης, να παράγουν και ηλεκτρική ενέργεια εντός του νοσοκομείου, όταν λειτουργεί μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού-θερμότητας. Ηλεκτρισμός: Χρησιμοποιείται κυρίως για φωτισμό, αερισμό, δροσισμό και κίνηση μηχανημάτων. Γενικά, αυτός ο τύπος ενέργειας δεν μπορεί να αντικατασταθεί από άλλες ενεργειακές πηγές. Ο ηλεκτρισμός παρέχεται κυρίως από τις εταιρείες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά μια άλλη εναλλακτική λύση, που χρησιμοποιείται όλο και πιο συχνά, είναι τα νοσοκομεία να παράγουν τη δική τους ηλεκτρική ενέργεια, μέσω ενός συστήματος συμπαραγωγής που εγκαθίσταται μέσα στο νοσοκομείο. Ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές: Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται μερικές φορές στα νοσοκομεία για την παραγωγή θερμού νερού χρήσης, προκειμένου να μειωθεί η χρήση άλλων μορφών ενέργειας, όπως επίσης και για τη θέρμανση χώρων και βέβαια το ηλιακό φως για τη μείωση του τεχνητού φωτισμού, όπου αυτό είναι δυνατό. Άλλες ανανεώσιμες 41

42 πηγές ενέργειας, όπως η βιομάζα, αποτελούν συχνά το καύσιμο για τους λέβητες, κυρίως σε εγκαταστάσεις τηλεθέρμανσης. Εφόσον υπάρχει δυνατότητα για τηλεθέρμανση, αυτή θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί στη μεγαλύτερη δυνατή έκταση. Μία εγκατάσταση τηλεθέρμανσης, που χρησιμοποιεί συχνά τη συμπαραγωγή, είναι συνήθως πολύ πιο αποδοτική και φθηνή από τη χρήση των τοπικών λεβήτων. [9] Σχήμα 2.1.: Απλοποιημένο διάγραμμα τυπικού συστήματος διανομής ενέργειας σε νοσοκομεία με ξεχωριστή παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας.[9] Απαιτήσεις Κανονισμών για τις Νοσοκομειακές Μονάδες Για την ικανοποίηση των θερμικών και ηλεκτρικών αναγκών των νοσοκομείων υπάρχουν κανονισμοί που περιγράφουν το πώς μπορούν να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις αυτές (κανονισμοί για τη θερμική μόνωση, τον αερισμό, το φωτισμό, τις εσωτερικές θερμοκρασίες, κλπ.). Οι απαιτήσεις των κανονισμών για τις επιμέρους εγκαταστάσεις είναι περιληπτικά οι ακόλουθες: Θερμική μόνωση: Οι θερμικές ιδιότητες του περιβλήματος του κτιρίου είναι πολύ σημαντικές, αφού σε ένα νοσοκομείο απαιτείται ελάχιστη θερμοκρασία 21 ο C ή 22 ο C η οποία δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 26 ο C κατά τη διάρκεια των πιο θερμών μηνών. Οι 42

43 κανονισμοί επιβάλλουν όρια στους συντελεστές θερμοπερατότητας των επιμέρους επιφανειών για τον υπολογισμό των απωλειών θερμότητας. Αερισμός: Τα επίπεδα αερισμού εξαρτώνται από το είδος του χώρου (συνήθης χώρος ή χώρος εντατικής θεραπείας) και μεταβάλλονται τυπικά από 35m 3 εώς 140m 3 ανά άτομο και ανά ώρα. Τα χειρουργεία είναι συνήθως μεταξύ των χώρων που έχουν τις υψηλότερες απαιτήσεις, με επίπεδα αερισμού περίπου στα 30-55m 3 ανά m 2 δαπέδου και ώρα. Συνθήκες Υγρασίας Εσωτερικού Αέρα: Το επίπεδο άνεσης καλύπτει σχετικές υγρασίες από 40-70% σε θερμοκρασίες ο C φυσιολογικές για νοσοκομεία. Η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται περισσότερο για τη θέρμανση των χώρων και για την παραγωγή θερμού νερού χρήσης, ενώ ο ηλεκτρισμός χρησιμοποιείται κυρίως για φωτισμό, κίνηση, αερισμό και δροσισμό. Οι καταναλώσεις που δίνονται στο σχήμα 2.2 μπορεί να αντιπροσωπεύουν μέχρι και το 75% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης των νοσοκομείων. Ο φωτισμός και ο αερισμός συχνά καλύπτουν το 50-60% της ηλεκτρικής ενεργειακής κατανάλωσης. Το νοσοκομείο καταναλίσκει ένα βασικό θερμικό και ένα βασικό ηλεκτρικό φορτίο. Το βασικό θερμικό φορτίο αποτελείται από το θερμό νερό χρήσης, το θερμικό φορτίο του συγκροτήματος του πλυντηρίου και του χώρου προετοιμασίας γευμάτων, την αποστείρωση και τις απώλειες παραγωγής και διανομής της θερμικής ενέργειας. Το βασικό ηλεκτρικό φορτίο αποτελείται από το φωτισμό, από τα ηλεκτρικά φορτία συγκροτήματος πλύσης και χώρου προετοιμασίας γευμάτων, το φορτίο ρευματοδοτών, τους ανελκυστήρες, κλπ. Επιπλέον στις Νοσοκομειακές μονάδες, λόγω ανάγκης υψηλής αξιοπιστίας των χρησιμοποιούμενων συστημάτων, εγκαθίστανται εφεδρικές παροχές και συστήματα, ώστε σε περίπτωση μη λειτουργίας κάποιου βασικού συστήματος να μη διαταραχθεί η λειτουργία του Νοσοκομείου Οι βασικές θερμικές ενεργειακές καταναλώσεις σε νοσοκομεία Τα νοσοκομεία είναι μεγάλοι καταναλωτές ενέργειας στον κτιριακό τομέα. Η ενεργειακή κατανάλωση που απαιτείται για την κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων, αποτελείται από τα μερικά θερμικά φορτία που ακολουθούν: Θερμικό φορτίο του συγκροτήματος πλύσης ρούχων, θερμικό φορτίο του χώρου προετοιμασίας γευμάτων, αποστείρωση, θερμό νερό χρήσης, θέρμανση και ύγρανση Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας στο συγκρότημα πλύσης ρούχων Οι εγκαταστάσεις πλυντηρίων αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα θερμικά φορτία στα νοσοκομεία. Το σύνηθες μέσο που χρησιμοποιείται είναι ο ατμός. Ο ατμός αυτός παράγεται 43

44 από λέβητες με καύση πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Εναλλακτικά, η θερμική ενέργεια μπορεί να παρέχεται τοπικά με καύση φυσικού αερίου ή να γίνεται χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως έχει προαναφερθεί, μια τυπική παραγωγική διαδικασία σε εγκαταστάσεις πλυντηρίων αποτελείται από τον ακόλουθο κύριο εξοπλισμό που καταναλώνει σημαντικά ποσά θερμικής ενέργειας: μηχανές πλυσίματος και στυψίματος, στεγνωτικές μηχανές, καθώς και μηχανές σιδερώματος Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας στην αποστείρωση Υπάρχουν αυστηροί κανονισμοί για την αποστείρωση εργαλείων, οργάνων και υλικών, εξαιτίας του κινδύνου εξάπλωσης μολύνσεων, λοιμώξεων κλπ. Ως αποτέλεσμα των προηγουμένων, οι υπηρεσίες αποστείρωσης παρέχονται αφενός μεν από το κεντρικό τμήμα αποστείρωσης, όπως, επίσης, και σε ειδικές θέσεις μέσα στο νοσοκομείο. Η αποστείρωση καλύπτει ένα μικρό ποσοστό της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης του νοσοκομείου. Ο ατμός είναι ένα πολύ αποτελεσματικό μέσο αποστείρωσης, γιατί το νερό είναι απαραίτητο σε χημικές αντιδράσεις καταστροφής των μικροοργανισμών κατά τη θέρμανση τους. Οι κλίβανοι ατμού χρησιμοποιούνται κυρίως σε κεντρικές αποστειρώσεις νοσοκομείων. Σε αυτούς γίνεται η αποστείρωση ιματισμού και υλικών που χρησιμοποιούνται στα χειρουργεία και τα άλλα τμήματα του νοσοκομείου (εξωτερικά ιατρεία, κλινικές κλπ.). Ο ατμός έχει πίεση περίπου 2,5bar και θερμοκρασία περίπου 135 C. Για μικρότερη θερμοκρασία από προηγουμένως απαιτείται μεγαλύτερος χρόνος για αποστείρωση. Το πρώτο τμήμα των περισσότερων διαδικασιών αποστείρωσης με ατμό είναι ένα στάδιο κατά το οποίο αφαιρείται αέρας του θαλάμου και αντικαθίσταται με ατμό, χρησιμοποιώντας συχνά ένα σύστημα παλλόμενης μεταβολής της πίεσης. Αυτό εξασφαλίζει τη διείσδυση του ατμού και τη διασφάλιση συνθηκών υγρής αποστείρωσης σε όλο το φορτίο. Μετά την αποστείρωση, η θερμοκρασία του υλικού μειώνεται με μείωση της πίεσης του κλιβάνου σε επίπεδο κάτω από την ατμοσφαιρική. Αυτή είναι η φάση ξήρανσης των προς αποστείρωση αντικειμένων.[7] Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας για ζεστό νερό χρήσης Η εγκατάσταση θερμού νερού χρήσης εξασφαλίζει την παροχή νερού στην απαιτούμενη ποσότητα και πίεση για την εξυπηρέτηση των αναγκών κάθε τμήματος του νοσοκομείου. Αν και το νερό που θα διανεμηθεί μπορεί να μην είναι πόσιμο, εν τούτοις, επειδή πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για πλύση, πρέπει να φθάσει στο σημείο της κατανάλωσης σε εξαιρετική κατάσταση από πλευράς υγιεινής. Συγκεκριμένα, θα πρέπει να υπάρξει μέριμνα για αποτροπή τυχόν ανάπτυξης βακτηρίων, όπως της legionella. Εξ αιτίας του γεγονότος ότι δεν μπορούν να υπάρξουν χημικά πρόσθετα, οι υψηλές θερμοκρασίες παρασκευής, διανομής θα πρέπει να διατηρηθούν, ώστε να αποφευχθεί ο κίνδυνος ανάπτυξης δημιουργίας καθαλάτωσης (scalding). 44

45 Η θερμοκρασία αποθήκευσης διατηρείται περίπου στους 55 ο C. Στα ελληνικά νοσοκομεία η θερμοκρασία θερμού νερού χρήσης είναι 45 ο C, εκτός ορισμένων χώρων, όπως το μαγειρείο, το πλυντήριο και το ανατομείο που τροφοδοτούνται με θερμό νερό χρήσης 65 ο C Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας για θέρμανση χώρων Το σύστημα θέρμανσης καταναλώνει σημαντική θερμική ενέργεια στα νοσοκομεία. Στο σύστημα αυτό προσλαμβάνεται θερμική ενέργεια η οποία παρέχεται α) από τους λέβητες με καύση αερίου ή πετρελαίου σε αυτούς και διανέμεται μέσω του δικτύου διανομής. Η χρήση συστήματος κλιματισμού σε νοσοκομεία παρουσιάζει πολλές ιδιαιτερότητες που δεν εμφανίζονται σε άλλα συνήθη κτίρια (ξενοδοχεία, γραφεία κλπ.). Στα νοσοκομεία όλοι οι χώροι που χρησιμοποιούνται, είτε για διάγνωση και νοσηλεία, είτε για θεραπεία, απαιτούν συνθήκες θερμικής άνεσης μεγαλύτερες αυτών των συνήθων κτιρίων (απαιτούν θερμοκρασίες μεταξύ 22 και 26 ο C) και για αυτό η ενεργειακή κατανάλωση για θέρμανση είναι αυξημένη έναντι άλλων κτιρίων. Οι αυξημένες απαιτήσεις άνεσης στα νοσοκομεία εξαρτώνται, εκτός από την κατά περίπτωση κατάλληλη θερμοκρασία (στις περισσότερες Ευρωπαϊκές Χώρες ισχύει για χώρους νοσηλείας 21 o C-24 o C, για χώρους θεραπείας 22 o C-24 o C και για ειδικούς χώρους 18 o C-26 o C), από τη σωστή υγρασία του αέρα και την καθαρότητα αυτού που καθορίζονται από τη βιβλιογραφία. Ο αέρας στα νοσοκομεία δεν θα πρέπει να είναι ούτε πολύ ξηρός (αφυδάτωση) ούτε πολύ υγρός (εφίδρωση). Οι συνθήκες άνεσης των ασθενών απαιτούν σχετική υγρασία από 40 έως 70% σε θερμοκρασίες ξηρού θερμομέτρου από 20 έως 27 o C. Οι συνθήκες υγρασίας στους διάφορους χώρους των Ελληνικών νοσοκομείων καθορίζονται σε προδιαγραφές του Υπουργείου Yγείας. Προς αποφυγή των μολύνσεων, ο αέρας των χώρων του νοσοκομείου πρέπει να ανανεώνεται. Ο αριθμός των εναλλαγών του αέρα στους διάφορους χώρους στα ελληνικά νοσοκομεία δίνεται σε προδιαγραφές του Υπουργείου Yγείας και σε τεχνική οδηγία του ΤΕΕ. Σε όλα τα νέα Ελληνικά νοσοκομεία που κατασκευάστηκαν μετά το 1985 προβλέπεται πλήρης κλιματισμός ολόκληρου του νοσοκομείου, συμπεριλαμβανομένων των νοσηλευτικών μονάδων και των βοηθητικών κτιρίων (οίκος ιατρών και αδελφών, παιδικός σταθμός, κτίριο πειραματόζωων). Το προβλεπόμενο σύστημα κλιματισμού είναι γενικά μόνο με αέρα για τους εσωτερικούς χώρους (all-air) και με συνδυασμό αέρα και τοπικών μονάδων ανεμιστήραστοιχείου (FCU) για τους εσωτερικούς χώρους που είναι σε επαφή με την εξωτερική επιφάνεια του κτιρίου. Θερμαντικά σώματα προβλέπονται μόνο για ειδικές περιπτώσεις (π.χ. WC ασθενών, διάδρομοι, πλατύσκαλα κλπ.). Οι νοσηλευτικές μονάδες κλιματίζονται με FCU τοποθετημένα στην περίμετρο και με προκλιματιζόμενο νωπό αέρα που προσάγεται με αεραγωγούς και στόμια από την οροφή των θαλάμων. Παρόμοιο σύστημα προβλέπεται συνήθως και για τους χώρους διοίκησης και γραφείων/εξεταστηρίων ιατρών. Θέρμανση με αέρα, χωρίς κλιματισμό θέρους, προβλέπεται για ορισμένους βοηθητικούς χώρους (π.χ. αποθήκες). Οι κλιματιστικές μονάδες με τις οποίες εξασφαλίζονται ο κλιματισμός και αερισμός του νοσοκομείου είναι εγκατεστημένες συνήθως σε μηχανοστάσια. Οι κλιματιστικές μονάδες του υπογείου λαμβάνουν νωπό αέρα από τα δώματα, συνήθως, των 45

46 νοσηλευτικών μονάδων, μέσω κεντρικών αεραγωγών και φυγοκεντρικών ανεμιστήρων τοποθετημένων στα υπόγεια μηχανοστάσια. Οι ανεμιστήρες που βρίσκονται είτε στο υπόγειο είτε στα δώματα των κτιρίων καταθλίβουν τον αέρα σε δίκτυο αεραγωγών απ όπου τροφοδοτούνται με νωπό αέρα οι κλιματιστικές μονάδες. Η απόρριψη του ακάθαρτου αέρα των συστημάτων κλιματισμού που ελέγχονται από τα μηχανοστάσια του υπόγειου επιτυγχάνεται μέσω άλλων κατακόρυφων αγωγών στα δώματα των κτιρίων των νοσηλευτικών μονάδων. Η σύγκριση καταναλώσεων ενέργειας για θέρμανση μεταξύ νοσοκομείων θα πρέπει να λαμβάνει υπόψιν (εκτός από τον αριθμό των βαθμοημερών της περιοχής που είναι κτισμένα τα νοσοκομεία) τις τυχόν μεταβολές σε παροχή νωπού αέρα, την εφαρμογή μέτρων εξοικονόμησης κ.ά. Τα φορτία θέρμανσης των ελληνικών νοσοκομείων υπολογίζονται συνήθως σύμφωνα με την μέθοδο DIN 4701/1977. Αν και, όπως ελέχθη προηγουμένως, η θερμοκρασία των διαφόρων χώρων του νοσοκομείου είναι διαφορετική, μπορούμε να θεωρήσουμε ως ενιαία θερμοκρασία του εσωτερικού του νοσοκομείου τους 22 o C.[9] Η κατανάλωση θερμικής ενέργειας για ύγρανση Ο έλεγχος της υγρασίας του αέρα έχει σημασία γιατί ως κύρια παράμετρος των συνθηκών άνεσης μπορεί: Να προκαλέσει ανεπιθύμητα συμπυκνώματα σε διάφορες επιφάνειες Να διευκολύνει την εκδήλωση ηλεκτροστατικών φαινομένων Να παραμορφώσει υλικά που είναι ευαίσθητα στην υγρασία Η υψηλή υγρασία μειώνει τη διεργασία της ψύξης του δέρματος του ανθρώπου με εξάτμιση του ιδρώτα του και δημιουργείται έτσι στο άτομο αίσθηση υψηλότερης θερμοκρασίας από την πραγματική. Σε γενικές γραμμές τα όρια της ανεκτής από τον άνθρωπο σχετικής υγρασίας είναι 40 έως 70%. Οι κεντρικές κλιματιστικές μονάδες διαθέτουν σύστημα ύγρανσης του αέρα. Οι υγραντήρες είναι συσκευές που ρυθμίζουν τις επιθυμητές συνθήκες υγρασίας του κλιματιζόμενου αέρα. Οι γνωστότεροι τύποι υγραντήρων λειτουργούν προσθέτοντας υγρασία στον κλιματιζόμενο αέρα, είτε με ψεκασμό ή με εξάτμιση νερού μέσω ηλεκτρικής αντίστασης είτε με έγχυση ατμού Οι βασικές θερμικές ενεργειακές καταναλώσεις σε κτίρια γραφείων Τα κτίρια γραφείων, δηλαδή τα κτίρια που έχουν βασικό σκοπό την στέγαση και την εξυπηρέτηση γραφείων, συνιστούν ένα σημαντικό καταναλωτή ενέργειας του τριτογενή τομέα. 46

47 Ξενοδοχεία Νοσοκομεία Ξενοδοχεία Νοσοκομεία Κτίρια Γραφείων Κτίρια Γραφίων Σχήμα 2.2.: Κατανάλωση ενέργειας ανά κατηγορία κτιρίου του τριτογενή τομένα.[15] Η βασική απαίτηση ενέργειας των κτιρίων γραφείων αφορά την θέρμανση κατά την διάρκεια του χειμώνα και την ψύξη κατά την διάρκεια του καλοκαιριού. Η ανάγκη διατήρησης θερμικής άνεσης ώστε να διατηρείται σε υψηλά επίπεδα η παραγωγικότητα όσων εργάζονται στα κτίρια γραφείων καθ όλο τον χρόνο, επιβάλλει την εγκατάσταση συστημάτων θέρμανσης και ψύξης. Στην Ελλάδα, στην πλειονότητα των κτιρίων γραφείων τα συστήματα αυτά είναι ξεχωριστά και δεν υπάρχει κεντρικό σύστημα κλιματισμού. Πέρα από τις υψηλές απαιτήσεις σε ενέργεια των κτιρίων γραφείων, ένας παράγοντας που τα καθιστά ενδιαφέροντα για την εγκατάσταση συστήματος συμπαραγωγής είναι ότι τα ωράρια λειτουργίας τους, άρα και η απαίτηση σε θερμική ενέργεια συμπίπτουν με την αιχμή της ηλεκτρικής κατανάλωσης του εθνικού δικτύου. Οπότε η παραγόμενη ενέργεια από ένα σύστημα συμπαραγωγής που είναι εγκατεστημένο σε ένα κτίριο γραφείων καλύπτει ηλεκτρικά φορτία αιχμής με αποτέλεσμα την βελτίωση της αξιοπιστίας του εθνικού δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. 47

48 48 ΕΜΘΠM

49 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟΥ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΟΥ ΓΡΑΦΕΙΩΝ 3.1. Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ Το Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ (από τα αρχικά των λέξεων American Hellenic Educational Progressive Association: Αμερικανικός Ελληνικός Εκπαιδευτικός Προοδευτικός Σύνδεσμος) είναι το δεύτερο μεγαλύτερο νοσοκομείο της Θεσσαλονίκης μετά το Ιπποκράτειο και ένα από τα μεγαλύτερα της Ελλάδας. Συνεργάζεται με το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και στεγάζεται στο χώρο της Πανεπιστημιούπολης στο κέντρο της πόλης Εικόνα 3.1.: Αεροφωτογραφία των εγκαταστάσεων του ΑΧΕΠΑ.[18] Η κεντρική υπηρεσία του Π.Γ.Ν.Θ «ΑΧΕΠΑ» εδρεύει στο χώρο της πανεπιστημιούπολης του Α.Π.Θ. του Δήμου Θεσσαλονίκης, επί της οδού Στίλπωνος Κυριακίδη 1 με ΤΚ Το οικόπεδο στο οποίο βρίσκονται τα κτίρια του νοσοκομείου έχει έκταση τ.μ., ενώ η συνολική δομημένη επιφάνεια όλων των στεγασμένων χώρων του έχει έκταση τ.μ., οι οποίοι οικοδομήθηκαν σε διάφορες φάσεις για να καλύψουν τις συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες του. 49

50 Περιγραφή συστημάτων παραγωγής θερμικής ενέργειας του νοσοκομείου ΕΜΘΠM Το ΑΧΕΠΑ διαθέτει 3 δικές του ανεξάρτητες παροχές φυσικού αερίου για τα λεβητοστάσια που διαθέτει για τα επιμέρους κτίρια που το αποτελούν (νοσοκομείο, τμήμα Ιατρικής, τμήμα Οδοντιατρικής κτλ). Συγκεκριμένα διαθέτει μια κεντρική παροχή Φ.Α. για τα δύο μεγάλα λεβητοστάσιά του, μια δεύτερη παροχή για δύο μικρότερα λεβητοστάσια ισχύος 1500Mcal/h έκαστο και μια τρίτη παροχή για ένα επίσης μικρό λεβητοστάσιο ισχύος 2000Mcal/h. Εικόνα 3.2.: Ατμολέβητας κεντρικού λεβητοστασίου ισχύος 3000Mcal/h (1945).[5] Για την παρούσα μελέτη λήφθηκαν στοιχεία μόνο για την κεντρική παροχή του ΑΧΕΠΑ, αυτή δηλαδή που αφορά τα δύο μεγάλα λεβητοστάσια, το κεντρικό και του πενταόροφου που αποτελούνται συνολικά από πέντε λέβητες συνολικής ισχύος 11450Mcal/h και έχουν μια κοινή παροχή φυσικού αερίου. Το κεντρικό λεβητοστάσιο διαθέτει 2 ατμολέβητες ισχύος 3000Mcal/h έκαστος χρονολογίας 1945, με καυστήρες φυσικού αερίου που μετατρέπονται εφεδρικά σε πετρελαίου, Εικόνα 2.4, και το λεβητοστάσιο του πενταόροφου διαθέτει 2 λέβητες νερού 1650Mcal/h και 1 λέβητα νερού 2150Mcal/h χρονολογίας 1990 με καυστήρες φυσικού αερίου που μετατρέπονται σε πετρελαίου. (Εικόνα 3.3). Επομένως ότι αναφορές γίνονται στο εξής για το ΑΧΕΠΑ, θα αφορούν αποκλειστικά αυτά τα δύο λεβητοστάσια. Τα λεβητοστάσια του νοσοκομείου λειτουργούν καθημερινά και σε εικοσιτετράωρη βάση, ανεξαρτήτως αργιών και εορτών καθώς οι ανάγκες για θέρμανση δεν σταματούν ποτέ. Το νοσοκομείο εκτός από ανάγκες θέρμανσης των χώρων του το χειμώνα, έχει επιπλέον ανάγκη από παραγωγή ζεστού νερού τόσο το χειμώνα, όσο και το καλοκαίρι, για διάφορες διεργασίες όπως για χρήση στα μαγειρεία, στους βραστήρες, στη διαδικασία αποστείρωσης κτλ..) δηλαδή, το λεβητοστάσιο λειτουργεί και τους θερινούς μήνες καταναλώνοντας φυσικό αέριο για την παραγωγή θερμού νερού. 50

51 Εικόνα 3.3.: Λέβητες νερού στο λεβητοστάσιο του πενταόροφου.[5] Εικόνα 3.4.: Πανεπιστημιακό Γενικό Νοσοκομείο Θεσσαλονίκης ΑΧΕΠΑ.[17] 3.2. Το κτίριο Δ της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Το κτίριο Δ της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης βρίσκεται στη Θεσσαλονίκη, στο κέντρο της πόλης και περίπου μέτρα από τη θάλασσα σε υψόμετρο 26 μέτρων. Οι δύο κύριες προσόψεις, η νοτιοδυτική και η βορειοανατολική, έχουν προσανατολισμός προς τη θάλασσα και το βουνό αντίστοιχα. Η κατασκευή του κτιρίου ολοκληρώθηκε το 1979 σύμφωνα με τις αρχιτεκτονικές και κατασκευαστικές αρχές της εποχής και της περιοχής. Το κτίριο έχει 9 ορόφους, ένα ισόγειο 51

52 και ένα υπόγειο. Στο υπόγειο στεγάζονται εργαστηριακές εγκαταστάσεις των τμημάτων της Πολυτεχνικής σχολής, ενώ στο ισόγειο βρίσκονται συνεδριακοί χώροι καθώς και τα γραφεία των γραμματειών των τμημάτων των Μηχανολόγων, Ηλεκτρολόγων και Χημικών μηχανικών. Οι 9 όροφοι στεγάζουν τα γραφεία του επιστημονικού προσωπικού της Πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Εικόνα 3.5.: Αεροφωτογραφία του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ.[23] Ο συνολικός όγκος του κτιρίου ανέρχεται σε κ.μ., από τα οποία ο όγκος ενός τυπικού ορόφου είναι ίσος με κ.μ.. Το ύψος του κτιρίου ανέρχεται σε 38 μέτρα περίπου. Τα ανοίγματα ενός τυπικού ορόφου αντιπροσωπεύουν περίπου το 38,9% της συνολικής επιφάνειάς του. Το κέλυφος του κτιρίου είναι θερμομονωμένο σύμφωνα με τον ελληνικό κανονισμό θερμομόνωσης. Η συνολική θερμική αγωγιμότητα του κτιριακού κελύφους είναι ίση με 0,938 W/m.k Περιγραφή συστημάτων παραγωγής θερμότητας στο κτίριο Δ Για την θέρμανση του κτιρίου Δ της πολυτεχνικής σχολής χρησιμοποιούνται 2 λέβητες φυσικού αερίου Κcal ο καθένας. Η απόδοση του συστήματος θέρμανσης υπολογίζεται πως είναι 85%. Η διανομή της θερμότητας γίνεται με θερμαντικά σώματα, τα οποία είναι συνδεδεμένα παράλληλα. Η πλειοψηφία των γραφείων είναι εξοπλισμένη με κλιματιστικές μονάδες διαιρετού τύπου, οι οποίες εγκαταστάθηκαν προοδευτικά από τη δεκαετία του 1990 με στόχο την κάλυψη των ψυκτικών φορτίων κατά την περίοδο δροσισμού. Στο κτίριο δεν υπάρχει θερμοστατικός έλεγχος και οι συνθήκες του εσωκλίματος προσδιορίζονται κυρίως από τους χρήστες του κάθε γραφείου σύμφωνα με την προσωπική 52

53 τους απαίτηση για το περιβάλλον, δηλαδή ανοίγοντας τα παράθυρα και κλείνοντας τα θερμαντικά σώματα κατά την περίοδο θέρμανσης ή θέτοντας σε λειτουργία τις κλιματιστικές μονάδες κατά την περίοδο δροσισμού Ενεργειακές καταναλώσεις εξεταζόμενων κτιρίων Οι καταναλώσεις για θέρμανση των εξεταζόμενων κτιρίων λήφθησαν από άλλες διπλωματικές εργασίας. [4][5] Η ετήσια κατανάλωση του νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ προσδιορίζεται σε ΚWh για την θέρμανση χώρων και KWh για ζεστό νερό χρήσης. Αντίστοιχα, η ετήσια κατανάλωση του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης προσδιορίζεται σε ΚWh. Το ζεστό νερό χρήσης στην περίπτωση του κτιρίου Δ κρίνεται αμελητέο. Η περίοδος θέρμανσης των εξεταζόμενων κτιρίων θεωρείται ότι ξεκινά από της 15 Οκτωβρίου και λήγει στις 30 Απριλίου. Για το ζεστό νερό χρήσης υποθέτεται σταθερή κατανάλωση καθ όλη την διάρκεια του έτους. Επειδή για τη παρούσα μελέτη δεν θα χρησιμοποιηθεί ηλεκτρική ενέργεια για κατανάλωση, αλλά μόνο για πώληση, δεν κρίθηκε σκόπιμο να μελετηθούν και τα ηλεκτρικά φορτία του νοσοκομείου και του κτιρίου Δ. Ο λόγος είναι γιατί το σημερινό νομικό πλαίσιο που διέπει τη συμπαραγωγή, ως προς τη τιμή πώλησης του ηλεκτρικού ρεύματος, είναι πιο οικονομικά συμφέρον να πωλείται όλο το ρεύμα που παράγεται στο δίκτυο, και να αγοράζεται για χρήση, ηλεκτρικό ρεύμα από τη ΔΕΗ. Αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει περαιτέρω μελέτη σε μελλοντικό στάδιο με την προϋπόθεση ότι θα αλλάξει το νομικό πλαίσιο. Επίσης αναφορά δεν έγινε ούτε για το ψυκτικό φορτίο του νοσοκομείου ή του κτιρίου Δ για το λόγο ότι δεν υπάρχει σήμερα κεντρικό σύστημα κλιματισμού για εκμετάλλευση της ψύξης με απορρόφηση που μας δίνει τη δυνατότητα η εφαρμογή της μονάδας ΣΗΘ. Η εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος θα απαιτούσε μεγάλα κεφάλαια και ιδιαίτερη ανάλυση. Είναι βέβαιο πως ο συνυπολογισμός της κάλυψης, έστω και μερικώς, των ψυκτικών φορτίων των εξεταζόμενων κτιρίων θα αύξανε την εξοικονόμηση ενέργειας και θα βελτίωνε τα οικονομικά αποτελέσματα της εγκατάστασης του συστήματος συμπαραγωγής. Οπότε, μπορεί να γίνει η υπόθεση, πως εάν κριθεί οικονομικά σκόπιμη η εγκατάσταση του συστήματος συμπαραγωγής υπολογίζοντας μόνο την κάλυψη των θερμικών φορτίων, θα είναι σκόπιμη και μάλιστα οικονομικά αποδοτικότερη εάν στην μελέτη συμπεριλαμβάνονταν και τα ψυκτικά φορτία Στρατηγική λειτουργίας της εγκατάστασης ΣΗΘ Στη παρούσα μελέτη η στρατηγική που ακολουθήθηκε είναι η παραγωγή θερμότητας ίσης με το θερμικό φορτίο «heat match», για διάφορα σενάρια μεταβάλλοντας κάθε φορά 53

54 διαφορετικούς παράγοντες, που επηρεάζουν τη λειτουργία και το κόστος του συστήματος συμπαραγωγής. Με τον τρόπο αυτό θα καλυφθεί μια πληθώρα σεναρίων από τα οποία θα εντοπιστεί η οικονομικά πιο συμφέρουσα επιλογή σε χρονικό ορίζοντα 15 έτη. Ως χώρος εγκατάστασης του συστήματος συμπαραγωγής ορίζεται το νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ καθώς οι θερμικές απαιτήσεις του, είναι πολύ μεγαλύτερες από ότι του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής. Οι απώλειες στο σύστημα μεταφοράς της θερμότητας στην αντίθετη περίπτωση θα ήταν ιδιαίτερα μεγάλες χωρίς να υπάρχει εμφανές όφελος. Στο σύστημα επιτρέπεται η αποστολή θερμικής ενέργειας από το ΑΧΕΠΑ στο Κτίριο Δ μόνο από την μονάδες συμπαραγωγής και όχι από τους λέβητες. Σχήμα 3.1.: Σχεδιάγραμμα λειτουργίας του συστήματος στο χώρο του ΑΧΕΠΑ Οι θερμικές απαιτήσεις θα καλύπτονται από τα δοχεία αποθήκευσης θερμότητας τα οποία θα αποθηκεύουν θερμότητα από τις μηχανές εσωτερικής καύσης και σε περίπτωση που οι απαιτήσεις είναι μεγαλύτερες από την ισχύ των ΜΕΚ θα υπάρχουν σε παράλληλη λειτουργία οι υπάρχοντες λέβητες για να καλύψουν τις επιπλέον απαιτήσεις. Σκαρίφημα για τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος παρουσιάζεται στα σχήματα 3.1 και 3.2 Αναλόγως του χρόνου λειτουργίας των ΜΕΚ θα παράγεται και ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο θα πωλείται εξολοκλήρου στο δίκτυο. 54

55 Σχήμα 3.2.: Σχεδιάγραμμα λειτουργίας του συστήματος στο χώρο του Κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής 3.5. Υπολογιστικό πρόγραμμα προσομοίωσης EnergyPRO 4 Τo EnergyPRO 4 είναι ένα Δανέζικο υπολογιστικό εργαλείο προσομοίωσης που χρησιμοποιείται για μοντέλα ενεργειακά συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων και των συστημάτων ΣΗΘ. Η διεξαγωγή μελέτης σκοπιμότητας για ΣΗΘ είναι ένα από τα πιο σημαντικά βήματα στη διαδικασία λήψης αποφάσεως. Μια πρόσφατη σύγκριση που έγινε με διαφορετικά πακέτα λογισμικού που διατίθενται στην αγορά (για παράδειγμα το CHP sizer, Ready Reckoner και SEA/REVENUE) καταδεικνύει ότι το EnergyPRO είναι μια ισχυρή και ευέλικτη εφαρμογή, και μακράν το πιο ολοκληρωμένο λογισμικό από την άποψη ότι μοντελοποιεί διάφορα σενάρια. Επιτρέπει προτεραιότητα στις μονάδες παραγωγής όπου κανένα άλλο λογισμικό δεν το κάνει. Στη Δανία οι περισσότερες μονάδες ΣΗΘ έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας αυτό το λογισμικό. Για τους πιο πάνω λόγους το EnergyPRO έχει επιλεγεί για τη μελέτη αυτή. Τα κύρια χαρακτηριστικά του λογισμικού και οι μηχανισμοί αξιολόγησης περιγράφονται παρακάτω. Το EnergyPRO έχει τρείς διαφορετικές ενότητες: το σχεδιασμό τη χρηματοδότηση και τους λογαριασμούς. Η ενότητα που αφορά το σχεδιασμό περιλαμβάνει το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση για ένα συγκεκριμένο έτος λειτουργίας. Η ενότητα χρηματοδότησης επιτρέπει στο έργο να αξιολογηθεί για μια σειρά ετών και να εξάγει τις χρηματοροές. Η ενότητα των λογαριασμών επιτρέπει ένα βαθύτερο επίπεδο της χρηματοοικονομικής ανάλυσης (περιλαμβάνει φόρους, αποσβέσεις κ.α.). Σε όλες αυτές τις ενότητες, ο χρήστης πρέπει να καθορίσει το προφίλ της ζήτησης, του εξοπλισμού, των 55

56 καυσίμων και της ηλεκτρικής ενέργειας των τιμολογίων, καθώς και το σχέδιο στρατηγικής που θα ακολουθήσει. Το ΕnergyPRO υπολογίζει τις ετήσιες παραγωγές σε βήματα, συνήθως κάθε 1 ώρα. Οι εισροές της ζήτησης θερμότητας και οι τιμές πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζονται ανά ώρα. Η περίοδος της βελτιστοποίησης χωρίζεται σε περιόδους υπολογισμού, όπου τα πάντα είναι σταθερά, για παράδειγμα θερμοκρασία, ηλιακή ακτινοβολία, προτεραιότητες, η ζήτηση θερμότητας, η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, ψύξης, παραγωγική ικανότητα και οι τιμές καυσίμων. Οι περίοδοι υπολογισμού μπορούν να χωριστούν σε ομάδες, περιόδους προτεραιότητας, και συνήθως σε ομάδες στις οποίες οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας είναι ίδιες. Μια από τις προτεραιότητες για παράδειγμα μπορεί να είναι το φορτίο αιχμής, υψηλό φορτίο και χαμηλό φορτίο όπου κανονικά θα έπρεπε να υπάρχει διαφορά στη τιμή του ηλεκτρικού ρεύματος. Η παραδοσιακή μέθοδος υπολογισμού της παραγωγής ενέργειας είναι να κάνει ωριαίους υπολογισμούς λαμβάνοντας υπόψη όπως για παράδειγμα, ότι η παραγωγή κατά τη διάρκεια της νύχτας μπορεί να γεμίσει το θερμικό δοχείο πολύ σύντομα. Το γεγονός αυτό εμποδίζει την πιο ελκυστική και οικονομικά πιο συμφέρουσα λύση, η παραγωγή να γίνεται το πρωί της επόμενης μέρας. Σε αντίθεση με την παραδοσιακή μέθοδο το ΕnergyPRO καθορίζει το χρονισμό της παραγωγής ώστε να γίνεται στις πιο ευνοϊκές περιόδους του έτους. Κατά συνέπεια πριν γίνει αποδεκτή οποιαδήποτε αλλαγή στο πρόγραμμα παραγωγής ελέγχεται αν επηρεάζει κάποια άλλη λειτουργία.[10] 3.6. Διαδικασία εκτέλεσης του προγράμματος προσομοίωσης και εισαγωγή ενεργειακών δεδομένων Οι επιλογές και τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν χωρίστηκαν σε στάδια, με τη σειρά την οποία απαιτούνται από το πρόγραμμα προσομοίωσης: 1. Σε πρώτο στάδιο επιλέχθηκε οι υπολογισμοί να γίνουν μόνο για ένα έτος, χωρίς ανάλυση του οικονομικού μέρους της λειτουργίας και βήμα υπολογισμών, ανά μία ώρα. Ο λόγος είναι το ότι είναι απαραίτητα μόνο τα ενεργειακά μεγέθη ενώ το οικονομικό σκέλος θα υπολογιστεί ξεχωριστά προκειμένου να εξαχθούν τα αντίστοιχα συμπεράσματα. 2. Σε δεύτερο στάδιο επιλέχθηκε οι περίοδοι λειτουργίας της θέρμανσης των κτιρίων και της παραγωγής ζεστού νερού χρήσης. Η περίοδος θέρμανσης ορίζεται ότι ξεκινά στις 15 Οκτωβρίου και λήγει στις 30 Απριλίου ενώ η παραγωγή ζεστού χρήσης παραμένει σταθερή καθ όλη την διάρκεια του έτους. Το φορτίο της θέρμανσης θεωρούμε ότι έχει 100% εξάρτηση από τις κλιματικές συνθήκες ενώ η κατανάλωση ζεστού νερού χρήσης δεν επηρεάζεται από τα κλιματικά δεδομένα. Τα κλιματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την ημερήσια κατανομή του φορτίου έχουν ληφθεί από το National Center for Atmospheric Research (NCAR) όπως παρουσιάζονται στην Εικόνα 3.6. Έχοντας ως μεταβλητή εισόδου την ετήσια κατανάλωση ενέργειας το πρόγραμμα προσομοίωσης υπολογίζει το ωριαίο φορτίο. 56

57 Εικόνα 3.6.: Εβδομαδιαία κατανομή θερμοκρασιών από NCAR. 3. Σε τρίτο στάδιο επιλέχθηκε το φυσικό αέριο σαν καύσιμο τόσο για τις ΜΕΚ όσο και για τους λέβητες. Η κατώτατη θερμογόνος δύναμη του φυσικού αερίου που προμηθεύεται η Θεσσαλονίκη από την ΕΠΑ Θεσσαλονίκης είναι 11,2±3% [kwh/nm 3 ]. Εικόνα 3.7.: Ημερήσιο προφίλ θερμικού φορτίου για Ζεστό Νερό Χρήσης στα νοσοκομεία.[11] 4. Στο τέταρτο στάδιο καθορίστηκαν τα στοιχεία για τις μηχανές (ισχύς, θερμικός και ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης) που χρησιμοποιήθηκαν. Οι μηχανές που χρησιμοποιήθηκαν είναι της εταιρίας Tedom. Το εύρος των μηχανών που 57

58 χρησιμοποιήθηκαν αρχίζει από 893kW (thermal) μέχρι 2247kW (thermal). Ενδεικτικά παρουσιάζονται στο Πίνακα 3.1. Αναλυτικά χαρακτηριστικά των μηχανών που χρησιμοποιήθηκαν παρουσιάζονται στο πίνακα 1 του παραρτήματος Β. Πίνακας 3.1.:Χαρακτηριστικά των μηχανών που χρησιμοποιήθηκαν για τη προσομοίωση.[19] Βασικά Τεχνικά Χαρακτηριστικά Σειρά QUANTO Μονάδα ΣΗΘ Ηλεκτρική Ισχύς (kw) Θερμική Ισχύς (kw) Ηλεκτρικός Βαθμός απόδοσης Θερμικός Βαθμός Απόδοσης Συνολικός Βαθμός Απόδοσης Κατανάλωση Αερίου (m 3 /h) Quanto D770 Quanto D1200 Quanto D1600 Quanto D ,1 47,4 88, ,6 47,1 89, ,1 47,5 89, , ,2 485 Επιλέχθηκαν διάφοροι συνδυασμοί μονάδων που καλύπτουν το εύρος από 1339 kw (thermal) έως και 3572 kw. Χρησιμοποιήθηκαν έξι διατάξεις, τρεις με μία μονάδα συμπαραγωγής και τρεις με δύο μονάδες συμπαραγωγής για να εντοπιστεί η πιο οικονομικά συμφέρουσα εγκατάσταση. Για την λειτουργία υπό μερικό φορτίο τέθηκε το όριο λειτουργίας 50%. Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των μηχανών υπό μερικό φορτίο σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία παρουσιάζονται στον πίνακα 3.2 και γραφικά στο σχήμα 3.3 Πίνακας 3.2.: Συνολικός βαθμός απόδοσης μονάδας υπό μερικό φορτίο.[19] Quanto D770 Quanto D1200 Quanto D1600 Quanto D % 82,5% 83,0% 83,1% 84,2% 75% 86,5% 87,0% 87,1% 88,1% 100% 88,5% 89,7% 89,6% 89,2% 58

59 92,0% 90,0% 88,0% 86,0% 84,0% 82,0% 80,0% 78,0% 50% 75% 100% Quanto D770 Quanto D1200 Quanto D1600 Quanto D2000 Σχήμα 3.3.: Επιρροή της λειτουργίας σε μερικό φορτίο στο βαθμό απόδοσης της μονάδας.[12] Για τους υπάρχοντες λέβητες ο βαθμός απόδοσης θεωρήθηκε 85% βάση δεδομένων από παλαιότερες διπλωματικές εργασίες. [4][5] 5. Στο πέμπτο στάδιο καθορίστηκε το μέγεθος του δοχείου αποθήκευσης (θερμική χωρητικότητα). Στα σενάρια που επεξεργάστηκαν χρησιμοποιήθηκαν δοχεία αποθήκευσης 15m3, 30m3, 60m3, 100m3 και 150m3. Θεωρήθηκε ότι τα δοχεία αποθήκευσης είναι μονωμένα με πάχος μόνωσης 100mm ενώ ο συντελεστής αγωγιμότητας του μονωτικού υλικού επιλέχτηκε λ=0,037[w/mοc]. Το θερμοκρασιακό εύρος του νερού που θα επικρατεί στο δοχείο επιλέχτηκε 50οC-90oC και θα αξιοποιείται πλήρως. 6. Σαν έκτο στάδιο καθορίστηκε η στρατηγική λειτουργίας του συστήματος συμπαραγωγής. Επιλέχτηκε να έχουν προτεραιότητα στην λειτουργία οι μονάδες συμπαραγωγής έναντι των συμβατικών λεβήτων. Επίσης επιλέχθηκε πως μόνο οι μονάδες συμπαραγωγής επιτρέπεται να συνεισφέρουν στο δοχείο αποθήκευσης και να κάνουν χρήση του δικτύου μεταφοράς θερμότητας από τον χώρο του ΑΧΕΠΑ έως την Πολυτεχνική σχολή. Επιτράπηκε στους λέβητες να λειτουργούν υπό μερικό φορτίο ενώ για τις μονάδες συμπαραγωγής η συγκεκριμένη επιλογή αποτέλεσε μεταβλητή στην δημιουργία των σεναρίων λειτουργίας. Τα δεδομένα τοποθετήθηκαν στο πρόγραμμα για να εξάγει τις πληροφορίες που παρουσιάζονται στην εικόνα

60 Εικόνα 3.7.: Έκθεση αποτελεσμάτων για τη λειτουργία της μονάδας Οικονομική αξιολόγηση της εγκατάστασης Η οικονομική ανάλυση είναι αυτή που θα αποδείξει αν η μονάδα ΣΗΘ είναι οικονομικά βιώσιμη. Επίσης βάση της οικονομικής ανάλυσης των εναλλακτικών σεναρίων λειτουργίας θα γίνει και η διαστασιολόγηση του συστήματος, τόσο των μονάδων συμπαραγωγής όσο και του θερμοδοχείου. Οι μονάδες ΣΗΘ σε κτίρια διοχετεύουν τη συμπαραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια στο Δίκτυο, ώστε να επωφεληθούν από την υψηλή τιμή αγοράς της συμπαραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Για την κάλυψη των ηλεκτρικών φορτίων αγοράζουν την απαιτούμενη για τη λειτουργία τους ηλεκτρική ενέργεια από το Δίκτυο ενώ αξιοποιούν όλη η χρήσιμη θερμότητα που παράχθηκε από το σύστημα ΣΗΘ για την κάλυψη των θερμικών / ψυκτικών αναγκών στο κτήριο. 60

61 11/10/ /10/ /11/ /11/ /12/ /01/ /01/ /01/ /02/ /02/ /03/ /03/ /04/ /05/ /05/ /05/ /06/ /06/ /07/ /07/ /08/ /08/ /09/ /09/ /10/2011 ΕΜΘΠM Το συνολικό κόστος μιας εγκατάστασης ΣΗΘ αποτελείται κυρίως από: - Κόστος Επένδυσης: Είναι το άθροισμα της αγοράς του συστήματος ΣΗΘ, της σύνδεσης με τα δίκτυα παροχής καυσίμου και ηλεκτρικής ενέργειας, των φίλτρων στο τμήμα καυσαερίων, των αγωγών, καλωδίων, συστημάτων ελέγχου και, τέλος, όλων των απαιτούμενων μηχανολογικών και περιβαλλοντικών μελετών. - Κόστος λειτουργίας και συντήρησης: Το κόστος καυσίμου της μηχανής ΣΗΘ αποτελεί το κύριο λειτουργικό κόστος. Προστίθενται τα έσοδα από τις πωλήσεις συμπαραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο και αφαιρούνται οι δαπάνες για την αγορά του καυσίμου, που στην προκειμένη περίπτωση είναι φυσικό αέριο, τόσο για την λειτουργία των μονάδων συμπαραγωγής όσο για τους λέβητες που καλύπτουν το υπολειπόμενο θερμικό φορτίο. Είναι σημαντική η διάκριση στην χρήση του φυσικού αερίου καθώς η τρέχουσα τιμολογιακή πολιτική της εταιρείας φυσικού αερίου Θεσσαλονίκης προβλέπει έκπτωση 5% στην τιμή του φυσικού αερίου που προορίζεται για χρήση σε σύστημα συμπαραγωγής σε σχέση με αυτό που προορίζεται για χρήση σε σύστημα κεντρικής θέρμανσης. Το κόστος της εργασίας, των ανταλλακτικών και των άλλων εξαρτημάτων που απαιτούνται για την ετήσια συντήρηση του συστήματος ΣΗΘ, προστίθεται στο λειτουργικό κόστος. Η εξέλιξη της τιμής των καυσίμων εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Κυρίως εξωτερικούς αλλά και εσωτερικούς όπως τη συνεχή αύξηση της φορολόγησης των καυσίμων. Η τιμή του φυσικού αερίου ακολουθεί τη διεθνή τιμή του πετρελαίου. Με βάση την εξέλιξη της τιμής του πετρελαίου του τελευταίου έτους (Σχήμα 3.4) θα έχει αυξητική τάση και για το υπόλοιπο χρονικό διάστημα Πετρέλαιο κίνησης (kl) Πετρέλαιο Θέρμανσης (kl) Βενζίνη Αμόλυβδη 95 (kl) Μαζούτ (t) 0 Σχήμα 3.4.: Μέση σταθμισμένη τιμή καυσίμων στην Ευρώπη.[22] 61

62 3.8. Οικονομικά Δεδομένα που επιλέχτηκαν για την αξιολόγηση Το πρόγραμμα όπως προαναφέρθηκε έχει τη δυνατότητα να εξάγει και οικονομικά αποτελέσματα. Λόγω όμως της πολυπλοκότητας της τιμής της αγοράς του φυσικού αερίου και της περιορισμένης δυνατότητας οικονομικής ανάλυσης του προγράμματος επιλέχθηκε η οικονομική πτυχή της μελέτης να διεξαχθεί ξεχωριστά. Το κόστος του φυσικού αερίου είναι μηνιαία κυμαινόμενο και διαφοροποιείται η τιμή του αναλόγως της χρήσης του. Αν το φυσικό αέριο προορίζεται για χρήση σε μονάδα συμπαραγωγής τότε υπάρχει έκπτωση 5% τους χειμερινούς μήνες και έκπτωση 15% κατά τους καλοκαιρινούς. Για τους υπολογισμούς επιλέχθηκε μια μέση τιμή για τη συμβατική κατάσταση /kwh η οποία είναι η τιμή για τη λειτουργία των λεβήτων. Αντίστοιχα για τη αγορά του φυσικού αερίου για χρήση στις μονάδες συμπαραγωγής επιλέχθηκε η μέση τιμή των /kwh. Εικόνα 3.8.: Τιμολόγιο φυσικού αερίου.[21] Το κόστος αγοράς και συντήρησης των μηχανών υπολογίστηκε με βάση στοιχείων που λήφθηκαν μετά από επικοινωνία με την εταιρία Α.ΕΙ.Μ.Α. ΑΕΒΕ που δραστηριοποιείτε στο χώρο της πώλησης και εγκατάστασης συστημάτων συμπαραγωγής. Το κόστος αγοράς των μονάδων συμπαραγωγής θεωρήθηκε γραμμικά εξαρτώμενο από την μέγιστη ηλεκτρική ισχύ του και λήφθηκε ως 800 /kw(el).[24] 62

63 Το κόστος εγκατάστασης ανά μονάδα συμπαραγωγής που αφορά την προετοιμασία του χώρου τοποθέτησης, την σύνδεση των υδραυλικών συστημάτων και τις λοιπές προκαταρκτικές εργασίες λήφθηκε ως Το κόστος αγοράς και εγκατάστασης των δοχείων αποθήκευσης θεωρήθηκε γραμμικά εξαρτώμενο από την χωρητικότητά του και έχει ληφθεί με γραμμική παρεμβολή ανάμεσα στις γνωστές τιμές για δεξαμενή 15m 3 και για δεξαμενή 150m 3. Το κόστος κατασκευής της γραμμής τηλεθέρμανσης από το χώρο του νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ μέχρι το κτίριο Δ της Πολυτεχνικής Σχολής λήφθηκε ως Το κόστος συντήρησης των ΜΕΚ 13 /MWh(el) ενώ το κόστος συντήρησης των λεβήτων 1 /MWh(th).[24] Η τιμή πώλησης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργεια καθορίζεται ως εξής: Τιμή Ενέργειας ( /MWh) = 87,85*ΣΡ. ΣΡ είναι ο συντελεστής ρήτρας φυσικού αερίου ο οποίος ορίζεται ως εξής: ΣΡ = 1+(Μ.Τ.Φ.Α. - 26)/ (100*η el ) Όπου: Μ.Τ.Φ.Α.: η ανά τρίμηνο μέση μοναδιαία τιμή πώλησης φυσικού αερίου για συμπαραγωγή σε /MWh ανωτέρας θερμογόνου δύναμης (Α.Θ.Δ) στους χρήστες Φ.Α. στην Ελλάδα εξαιρουμένων των πελατών ηλεκτροπαραγωγής. η el : ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης της διάταξης Σ.Η.Θ.Υ.Α. επί ανωτέρας θερμογόνου δύναμης (Α.Θ.Δ.) φυσικού αερίου, η οποία ορίζεται σε 0,33 για μονάδες Σ.Η.Θ.Υ.Α. > 1MWe και σε 0,35 για μονάδες Σ.Η.Θ.Υ.Α. >1MWe. Η τιμή του ΣΡ δεν μπορεί να είναι μικρότερη της μονάδας. [8][13]. Με τα παραπάνω δεδομένα προέκυψε πως η τιμή πώλησης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας είναι 167,919 /MWh. Έχοντας υπόψη τα παραπάνω χρησιμοποιώντας το Microsoft Excel υπολογίστηκε για κάθε σενάριο η Καθαρή Παρούσα Αξία, το Εσωτερικό Επιτόκιο Απόδοσης και η Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής για χρονικό ορίζοντα 15 έτη. 63

64 64 ΕΜΘΠM

65 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Τα αποτελέσματα που παρήχθησαν για κάθε σενάριο είναι τα εξής: Ετήσια παραγωγή θερμότητας ξεχωριστά από τους λέβητες, τη 1 η ΜΕΚ και τη 2 η ΜΕΚ. Ετήσια παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος ξεχωριστά από τη 1 η ΜΕΚ και τη 2 η ΜΕΚ. Ετήσια ποσότητα καυσίμου που χρειάστηκε για τη λειτουργία των λεβήτων, της 1 ης ΜΕΚ και της 2 ης ΜΕΚ ξεχωριστά. Καθαρή Παρούσα Αξία, Εσωτερικό Επιτόκιο Απόδοσης και Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής για χρονικό ορίζοντα 15 έτη (NVP, IRR, DBP). Τα αριθμητικά αποτελέσματα των 72 προσομοιώσεων παρουσιάζονται στο παράρτημα Β. Ακολουθεί σειρά από διάφορα γραφήματα στα οποία αποτυπώνονται τα διάφορα ενεργειακά και οικονομικά αποτελέσματα Ενεργειακά Αποτελέσματα Εικόνα 4.1.: Ποσοστό διάρκειας κάλυψης θερμικής ενέργειας από τις ΜΕΚ και τους λέβητες στο βέλτιστο σενάριο. Στην Εικόνα 4.1. παρουσιάζεται το διάγραμμα με τις ώρες και το φορτίο λειτουργίας κάθε μονάδας παραγωγής ενέργειας για τη βέλτιστη περίπτωση. Οι δύο ΜΕΚ δουλεύουν σε πλήρες φορτίο ενώ οι λέβητες δουλεύουν σε μερικό φορτίο. Επίσης, παρατηρείται πως για 2000 ώρες ετησίως το σύστημα δεν παράγει ενέργεια. Για το λόγο αυτό το σύστημά έχει τη δυνατότητα να ανταπεξέλθει και σε μεγαλύτερα θερμικά φορτία που μπορεί να υπάρξουν στο μέλλον. 65

66 14.000, , , , , ,0 ΣΥΘ Boiler 2.000,0 0, x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.1.: Διάγραμμα παραγωγής θερμικής ενέργειας σε kwh για λειτουργία σε μερικό φορτίο. Στο σχήμα 4.1. όπου επιτρέπεται η λειτουργία σε μερικό φορτίο, παρατηρείται μικρότερη έως και μηδενική κάλυψη θερμικού φορτίου από τους λέβητες και μεγαλύτερη κάλυψη από τις μονάδες συμπαραγωγής καθώς μεγαλώνει η ισχύς των ΜΕΚ, ανεξαρτήτως αν η λειτουργία γίνεται με 1 ή 2 ΜΕΚ. Επίσης παρατηρείται ότι η παραγωγή θερμικής ενέργειας από όλα τα συστήματα παραγωγής αυξάνεται καθώς αυξάνεται το μέγεθος του θερμοδοχείου. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το ότι οι μονάδες συμπαραγωγής έχουν μικρότερο βαθμό απόδοσης υπό μερικό φορτίο. Στην περίπτωση του μικρού δοχείου αποθήκευσης θερμότητας η μηχανές αναγκάζονται να λειτουργούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα υπό μερικό φορτίο με αποτέλεσμα την αποφυγή τους από το πρόγραμμα προσομοίωσης, το οποίο στοχεύει στην ελαχιστοποίηση του κόστους παραγωγής της απαιτούμενης ενέργειας. Στο σχήμα 4.2. όπου η λειτουργία γίνεται σε πλήρες φορτίο, παρατηρείται πως η επίδραση του δοχείου αποθήκευσης θερμικής ενέργειας αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε όλες τις διατάξεις. Όταν το θερμοδοχείο είναι πολύ μικρό, οι μονάδες συμπαραγωγής δεν μπορούν να παρακολουθήσουν τις μεταβολές στα θερμικά φορτία και έτσι το φορτίο καλύπτεται από τους λέβητες. Ειδικά στις περιπτώσεις μεγάλης ισχύος και με μία εγκατεστημένη μονάδα συμπαραγωγής, όπως η διάταξη με μία μονάδα D2000, παρατηρούμε ότι η μειωμένη παραγωγή ισχύει για μεγαλύτερο θερμοδοχείο. Αυτό συμβαίνει καθώς στις υπόλοιπες διατάξεις έχουμε δύο μηχανές μικρότερης ισχύος, οπότε μπορούν να διαχειριστούν καλύτερα μεσαία φορτία και δεν απαιτούν τον ίδιο όγκο θερμοδοχείου. Εκτός αυτού, όπως παρατηρήθηκε και στις διατάξεις όπου επιτρέπονταν η λειτουργία υπό μερικό φορτίο, όσο αυξάνει η εγκατεστημένη θερμική ισχύς των μονάδων συμπαραγωγής τόσο αυξάνεται η παραγόμενη από αυτές θερμική ενέργεια σε σχέση με τους λέβητες. 66

67 14.000, , , , ,0 ΣΗΘ Boiler 4.000, ,0 0, x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.2.: Διάγραμμα παραγωγής θερμικής ενέργειας σε kwh για λειτουργία σε πλήρες φορτίο , , , , , ,0 0, x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Μονάδα Συμπαραγωγής 1 Μονάδα Συμπαραγωγής 2 Σχήμα 4.3.: Διάγραμμα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε kwh για λειτουργία σε μερικό φορτίο. Στο σχήμα 4.3. παρατηρούμε πως στην λειτουργία υπό μερικό φορτίο η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη του θερμοδοχείο. Όσο αυξάνεται η εγκατεστημένη ισχύς της μονάδας συμπαραγωγής τόσο αυξάνεται η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. 67

68 12.000, , , , , ,0 Μονάδα Συμπαραγωγής 2 Μονάδα Συμπαραγωγής 1 0, x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.4.: Διάγραμμα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε kwh για λειτουργία σε πλήρες φορτίο. Στο σχήμα 4.4. για λειτουργία υπό πλήρες φορτίο παρατηρείται επίσης αυξανόμενη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος καθώς η ισχύς των ΜΕΚ αυξάνει. Σε αντιστοιχία με τα θερμικά αποτελέσματα η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος εξαρτάται από το μέγεθος του θερμοδοχείου. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι ακριβώς τα ίδια με τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τη παραγωγή θερμικής ενέργειας. Ο λόγος είναι ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι άμεσα εξαρτώμενη από τη παραγωγή θερμικής ενέργειας. Όπως φαίνεται στο σχήματα 4.5. η μείωση της πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας μειώνεται καθώς μειώνεται η εγκατεστημένη ισχύ της μονάδας συμπαραγωγής. Αυτό δικαιολογείται από το γεγονός ότι παράγεται λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια από το σύστημα συμπαραγωγής, η παραγωγή της οποία αποτελεί τον καθοριστικό παράγοντα εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτός είναι και ο λόγος της μειωμένης εξοικονόμησης ενέργειας στις περιπτώσεις λειτουργίας υπό πλήρες φορτίο για θερμοδοχεία χωρητικότητας κάτω των 30 m 3, που όπως αναλύθηκε εμφανίζουν χρόνο λειτουργίας και μικρότερη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η απόδοση του συμβατικού συστήματος παροχής ηλεκτρικής ενέργειας θεωρήθηκε πως είναι 30%. Το ποσοστό αυτό υπολογίστηκε υποθέτοντας 35% βαθμό απόδοσης στις ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες της ΔΕΗ και 5% απώλειες στο δίκτυο διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας. 68

69 27.000, , ,0 Μερικό Φορτίο Πλήρες Φορτίο , , , , , x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.5.: Πρωτογενής κατανάλωση ενέργειας σε kwh με την χρήση ΣΗΘ και λειτουργία υπό μερικό και πλήρες φορτίο Οικονομικά Αποτελέσματα Βάση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων που εκτελέστηκαν δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων που χρησιμοποιήθηκε για την οικονομική ανάλυση των διατάξεων προς αξιολόγηση. Στο σχήμα 4.6. παρουσιάζεται η ΚΠΑ των μονάδων συμπαραγωγής για μερικό και πλήρες φορτίο με χρονικό ορίζοντα επένδυσης 15 χρόνων. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.7. η μέγιστη ΚΠΑ παρουσιάζεται για την διάταξη που χρησιμοποιεί 2 μηχανές D1200 συνολικής θερμικής ισχύος 2678 kwh. Καθώς μειώνεται η εγκατεστημένη ισχύς των μονάδων συμπαραγωγής μειώνεται και η ΚΠΑ τους. Η μείωση αυτή οφείλεται στο ότι ενώ απαιτείται μικρότερο αρχικό κόστος επένδυσης, οι χρηματορροές τους είναι μικρότερες και άρα το οικονομικό όφελος σε βάθος δεκαπενταετίας είναι μικρότερο από ότι σε εγκαταστάσεις μεγαλύτερης ισχύος. Παρ όλα αυτά παρατηρείται πως όλα τα εξεταζόμενα σενάρια είναι οικονομικά βιώσιμα και αυτό οφείλεται στην ιδιαίτερα υψηλή τιμή πώλησης του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος που υπολογίζεται σε 167,9 /MWh. 69

70 Μερικό Φορτίο Πλήρες Φορτίο x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.6.: Καθαρή Παρούσα Αξία (ΚΠΑ) των εξεταζόμενων σεναρίων Στο σχήμα 4.7. παρατηρείται πως η απόδοση κεφαλαίου αυξάνεται για τις διατάξεις μικρότερης ισχύος. Σε αντιστοιχία είναι και τα αποτελέσματα της έντοκης περιόδου αποπληρωμής της επένδυσης που παρουσιάζονται στο σχήμα 4.8. όπου οι εγκαταστάσεις με μικρότερη εγκατεστημένη ισχύ αποπληρώνουν ταχύτερα την αρχική επένδυση. Το χαμηλότερο αρχικό κόστος επένδυσης των συγκεκριμένων μονάδων είναι ο καθοριστικός παράγοντας αυτών των αποτελεσμάτων. Έτσι παρ όλο που βραχυπρόθεσμα η εγκατάσταση μονάδων μικρότερης ισχύος είναι αποδοτικότερη, στον κύκλο ζωής των μονάδων συμπαραγωγής, που υπολογίζεται στα 15 χρόνια, η ΚΠΑ αποκαλύπτει πως οι μονάδες συμπαραγωγής υψηλότερης ισχύος είναι αποδοτικότερες. 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% Μερικό Φορτίο Πλήρες Φορτίο x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.7.: Απόδοση κεφαλαίου των εξεταζόμενων σεναρίων. 70

71 ΕΜΘΠM 4,000 3,500 3,000 Μερικό Φορτίο Πλήρες Φορτίο 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 2 x D x D x D x D x D774 1 x D1200 Σχήμα 4.8.: Έντοκη περίοδος αποπληρωμής της επένδυσης των εξεταζόμενων σεναρίων. 71

72 72 ΕΜΘΠM

73 5. ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ 5.1. Επιλογή βέλτιστης διάταξης Για την εύρεση της βέλτιστης λύσης και την τελική διαστασιολόγηση της μονάδας συμπαραγωγής θα χρησιμοποιηθούν τα δεδομένα της οικονομικής ανάλυσης που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 4. Σε πρώτο στάδιο επιλέχθηκαν οι μονάδες που θα εγκατασταθούνε. Για την πραγματοποίηση της σύγκρισης μεταξύ των διαφορετικών μονάδων έγινε επιλογή των διατάξεων με την μεγαλύτερη ΚΠΑ για κάθε μία από αυτές. Βάση των στοιχείων που παρουσιάζονται στο σχήμα 5.1. διακρίνεται το μέγεθος του θερμοδοχείου και η στρατηγική λειτουργίας για τα οποία μεγιστοποιείτε η καθαρή παρούσα αξία της επένδυσης, για κάθε ένα από τους 6 συνδυασμούς μονάδων συμπαραγωγής. Το βέλτιστο μέγεθος θερμοδοχείου και η στρατηγική λειτουργία για τις μονάδες συμπαραγωγής καταγράφονται στον πίνακα 5.1 και γραφικά στο σχήμα 5.2. Η βέλτιστη διάταξη λειτουργίας της μονάδας συμπαραγωγής είναι με χρήση δύο μηχανών D1200 με 1169 kw ηλεκτρικής και 1339 kw θερμικής ισχύος η κάθε μία. Η συνολική εγκατεστημένη ισχύ της βέλτιστης διάταξης λειτουργίας είναι 2338 kw (el) και 2678 kw (th). Αναλυτικά χαρακτηριστικά της μονάδας συμπαραγωγής μπορούν να βρεθούν στο παράρτημα Β. Η βέλτιστη στρατηγική λειτουργίας της μονάδας είναι υπό πλήρες φορτίο. Γενικότερα παρατηρείται πως σε όλες τις διατάξεις η βέλτιστη οικονομική επίδοση παρουσιάζεται για λειτουργία υπό πλήρες φορτίο, καθώς με αυτή την στρατηγική, οι μονάδες συμπαραγωγής έχουν τον μέγιστο βαθμό απόδοσης. Πίνακας 5.1.: Βέλτιστο μέγεθος θερμοδοχείου και στρατηγική λειτουργίας. Μονάδες Φορτίο Χωρητικότητα Θερμοδοχείου ΚΠΑ 2 x D1200 Πλήρες x D1600 Πλήρες x D2000 Πλήρες x D1600 Πλήρες x D774 Πλήρες x D1200 Πλήρες

74 2xD Πλήρες Φορτίο Μερικό Φορτίο xD2000 2xD Πλήρες Φορτίο Μερικό Φορτίο xD Πλήρες Φορτίο Μερικό Φορτίο Πλήρες Φορτίο Μερικό Φορτίο xD Πλήρες Φορτίο Μερικό Φορτίο xD Πλήρες Φορτίο Μερικό Φορτίο Σχήμα 5.1.: Καθαρή Παρούσα Αξία συναρτήσει του μέγεθος του θερμοδοχείου. 74

75 1 x D x D x D x D x D x D Σχήμα 5.2.: Σύγκριση της οικονομικής απόδοσης της βέλτιστης λειτουργίας των μονάδων συμπαραγωγής Διαστασιολόγηση Στοιχείων Εγκατάστασης Αφού έχουν επιλεγεί οι μηχανές εσωτερικής καύσης και η στρατηγική λειτουργίας μπορεί να πραγματοποιηθεί η διαστασιολόγηση του θερμοδοχείου και των σωληνώσεων του συστήματος μεταφοράς της θερμότητας από τον χώρο του Νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ μέχρι τον χώρο της Πολυτεχνικής Διαστασιολόγηση Θερμοδοχείου Η βέλτιστη οικονομική επίδοση στην διάταξη με δύο μηχανές D1200 και λειτουργία υπό πλήρες φορτίο εμφανίζεται στο σενάριο όπου χρησιμοποιείτε θερμοδοχείου χωρητικότητας 30 m 3. Για να εντοπιστεί η βέλτιστη χωρητικότητα του θερμοδοχείου δημιουργήθηκαν 14 επιπλέον σενάρια λειτουργίας με μεταβλητή το μέγεθος του θερμοδοχείου (Παράρτημα Γ, Πίνακας 4). Το μικρότερο θερμοδοχείο που χρησιμοποιήθηκε έχει χωρητικότητα 20 m 3 και το μεγαλύτερο 33 m 3. Παρατηρείται πως για χωρητικότητα θερμοδοχείου από 29 m3 και άνω η ΚΠΑ παραμένει σχεδόν σταθερή. Το μέγιστο της ΚΠΑ εμφανίζεται για μέγεθος θερμοδοχείου 30 m3 που τυγχάνει να συμπίπτει με την αρχικό σενάριο λειτουργίας. Το θερμοδοχείο των 30 m3 είναι ικανό να αποθηκεύσει 1,39 ΜWh θερμότητας και οι ετήσιες απώλειες αντιστοιχούν σε 6,9 MWh. Η απώλεια ενέργειας από την λειτουργία του θερμοδοχείου αντισταθμίζεται από την δυνατότητα της μονάδας συμπαραγωγής να λειτουργεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα υπό 75

76 πλήρες φορτίο με αποτέλεσμα την καλύτερη αξιοποίηση της θερμική και ηλεκτρικής ισχύος της εγκατάστασης ΚΠΑ Σχήμα 5.3. Καθαρή παρούσα αξία της επένδυσης σε συνάρτηση με το μέγεθος τους θερμοδοχείου Διαστασιολόγηση Γραμμής Μεταφοράς Θερμότητας Στα αποτελέσματα της προσομοίωσης της βέλτιστης διάταξης, εμφανίζεται πως η μέγιστη μεταδιδόμενη ισχύς από την εγκατάσταση συμπαραγωγής που βρίσκεται στον χώρο του νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ προς το κτίριο Δ της Πολυτεχνικής σχολής είναι 200 kw. Βάση αυτής της ισχύος θα γίνει ο υπολογισμός της διατομής των σωλήνων. Η εγκατάσταση των σωλήνων τηλεθέρμανσης συνίσταται να γίνει υπόγεια χωρίς σήραγγα. Η μέθοδος αυτή πλεονεκτεί έναντι της εναέριας εγκατάστασης λόγω της μικρότερων απωλειών ενέργειας κατά την μεταφορά της θερμότητας και έναντι της υπόγειας εγκατάστασης με σήραγγα λόγω του μικρότερου κόστους κατασκευής. Το μήκος της γραμμής τηλεθέρμανσης υπολογίζεται περίπου σε 300 μέτρα. Η ταχύτητα ροής του θερμού νερού επιλέγεται 1 m/s. Η θερμοκρασία προσαγωγής είναι η μέγιστη θερμοκρασία του θερμοδοχείου, η οποία είναι 90 o C και η θερμοκρασία του επιστρεφόμενου νερού θεωρείται πως είναι 50 o C. H πυκνότητα του νερού στους 90 o C λαμβάνεται ως 965 kg/m 3. Βάση των παραπάνω δεδομένων, η παροχή μάζας υπολογίζεται ότι είναι 4296 Kg/h. Μετατρέποντας σε μονάδες όγκου προκύπτει πως η ροή του θερμού νερού κατά την μέγιστη μετάδοση θερμότητας θα είναι 4,45 m 3 /h. Τελικά η ελάχιστη εσωτερική διάμετρος της σωλήνας τηλεθέρμανσης υπολογίζεται ότι είναι 40 mm. Θεωρούμε πως ο σωλήνας θερμομονώνετε με μονωτικό υλικό πάχους 70 mm και θερμικής αγωγιμότητας 0,04 W/mk. Η μέση θερμοκρασία του εδάφους κατά την διάρκεια 76

77 λειτουργίας της τηλεθέρμανσης σε βάθος ενός μέτρου θεωρείτε πως είναι 15 o C. Με τα δεδομένα αυτά προκύπτει πως η μέση απώλεια θερμότητας ανά μέτρο σωλήνα είναι 19 W/m και η συνολική μέση απώλεια θερμότητας του συστήματος τηλεθέρμανσης ισούται με 5,7kW. H απώλειες αυτές αντιστοιχούν στο 2,85% της μέγιστης μεταδιδόμενης ισχύος που κρίνονται ανεκτές Εκτίμηση μείωσης πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας Το Ελληνικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται ιδιαίτερα έντονα σε λιγνιτικές μονάδες. Τα τελευταία χρόνια εμφανίζεται αύξηση των επενδύσεων σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με την εγκατάσταση και λειτουργία νέων αιολικών και φωτοβολταϊκών πάρκων, όπως επίσης τοποθέτηση φωτοβολταϊκών πλαισίων σε οικίες. Παρ όλα αυτά, λόγω της αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής η ποσοστιαία συμμετοχή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην κατανάλωση ενέργειας παρέμεινε σχεδόν σταθερή. 9,10% 4,60% 21,60% 4,50% 48,50% Λιγνιτης Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Υδροηλεκτρικά ΑΠΕ Εισαγωγές 11,70% Σχήμα 5.4.: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανά καύσιμο. Η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για το 2010 ανήλθε σε MWh. Στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειες δεν μπορεί να ρυθμιστεί η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια, οπότε δεν επηρεάζεται από την εισαγωγή της νέας ΣΥΘ στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα. Το ενεργειακό μίγμα χωρίς τις ΑΠΕ και τα υδροηλεκτρικά παρουσιάζονται στο σχήμα 5.5. Η παραγόμενη ενέργεια αντιστοιχεί σε MWh. 77

78 10,0% 53,3% 23,8% Λιγνιτης Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Εισαγωγές 12,8% Σχήμα 5.5.: Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας εξαιρουμένων ΑΠΕ και Υδροηλεκτρικών. Στο βέλτιστο σενάριο λειτουργίας παράγονται ΜWh ηλεκτρικής ενέργειας ενώ καταναλώνονται ΜWh πρωτογενούς ενέργειας (Φυσικό αέριο). Στην συμβατική θέρμανση καταναλώνονται ΜWh πρωτογενούς ενέργειας. Από την αφαίρεση της κατανάλωσης της συμβατικής θέρμανσης από την κατανάλωση του συστήματος συμπαραγωγής προκύπτει η πρωτογενής κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας από την μονάδα συμπαραγωγής. Θεωρείται βαθμός απόδοσης 30% για τις λιγνιτικές ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες, 33% για τις πετρελαϊκές ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες και 40% για τις ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες φυσικού αερίου. Το ποσό αυτό αντιστοιχείται στο σχήμα 5.6. στις αντίστοιχες ποσότητες πρωτογενών καυσίμων και εισαγωγών ανάλογα με το ποσοστό στο ενεργειακό μίγμα και του βαθμού απόδοσης της αντίστοιχης μονάδας ,8 ΣΥθ 1100,5 6534,0 4266, ,7 MWh Εισαγωγές Φυσικό Αέριο Πετρέλαιο Λιγνίτης Σχήμα 5.6.: MWh εξοικονομούμενης πρωτογενούς ενέργειας. 78

79 Τα στοιχεία του σχήματος 5.6. δείχνουν πως η πρωτογενής κατανάλωση καυσίμων μειώνεται κατά 63,4% της συμβατικής παραγωγής ηλεκτρισμού στην περίπτωση της συνδυασμένης παραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας. Για να υπολογισθούν οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα χρησιμοποιούνται τα στοιχεία του πίνακα 5.2. Πίνακας 5.2.: Εκπομπές CO 2 ανά MWh πρωτογενούς ενέργειας, [25] Καύσιμο Εκπομπές CO2 (Kg/MWh) Φυσικό Αέριο 56,12 Πετρέλαιο 71,55 Λιγνίτης 106,29 Στο σχήμα 5.7. φαίνεται πως οι εκπομπές CO 2 περιορίζονται κατά 76,5% κατά την παραγωγή στην μονάδα συμπαραγωγής σε σχέση με την συμβατική παραγωγή. Αυτό οφείλεται στην χρησιμοποίηση φυσικού αερίου για την λειτουργία της μονάδας συμπαραγωγής, το οποίο έχει χαμηλές εκπομπές CO 2, όπως επίσης στο μεγάλο ποσοστό παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από λιγνιτικές παραγωγικές μονάδες στην συμβατική περίπτωση, που έχουν ιδιαίτερα μεγαλύτερες εκπομπές CO 2 ανά MWh παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας Λιγνίτης Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο ΣΥΘ Συμβατικά Σχήμα 5.7.: Τόνοι εκλυόμενου CO 2 για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας Οικονομικά χαρακτηριστικά Στο βέλτιστο σενάριο λειτουργίας το αρχικό κόστος της επένδυσης ανέρχεται σε Το ποσό αναλύεται στον πίνακα

80 Πίνακας 5.3.: Ανάλυση του αρχικού κόστους της εγκατάστασης. Ανάλυση Κόστους Επένδυσης Περιγραφή Ποσό Μηχανές Εσωτερικής Καύσης Θερμοδοχείο Εγκατάστασης Σύστημα τηλεθέρμανσης Σύνολο Παρατηρείται πως το μεγαλύτερο μέρος του κόστος της εγκατάστασης της μονάδας συμπαραγωγής αφορά την αγορά των μηχανών εσωτερικής καύσης και των συνοδευόμενων εναλλακτών για την εκμετάλλευση της απορριπτόμενης θερμότητας. Το κόστος της τηλεθέρμανσης λόγω της μικρής απόστασης των δύο κτιριακών εγκαταστάσεων, διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα λόγω της σχετικά μικρής απόστασης μεταξύ τους. Το κόστος λειτουργίας της μονάδας συμπαραγωγής υπολογίστηκε ότι είναι Η ανάλυση του αυτού του ποσού παρουσιάζεται στον πίνακα 5.4. Πίνακας 5.4.: Ανάλυση του κόστους λειτουργίας της εγκατάστασης. Ανάλυση Κόστους Λειτουργίας Περιγραφή Ποσό Συντήρηση Κόστος Φυσικού Αερίου για Συμπαραγωγή Κόστος Φυσικού Αερίου για Θέρμανση Σύνολο Το μόνο έσοδο της εγκατάστασης αφορά την πώληση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στο εθνικό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και ανέρχεται σε Τα έξοδα της συμβατικής μεθόδου κάλυψης των θερμικών φορτίων του νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ και του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής υπολογίζεται σε Στο σχήμα 5.5. παρουσιάζονται οι χρηματορροές λειτουργίας στην παρούσα και στην προτεινόμενη εγκατάσταση συμπαραγωγής για την κάλυψη των θερμικών φορτίων. Το συνολικό όφελος από την εγκατάσταση του συστήματος συμπαραγωγής προκύπτει από το άθροισμα του κέρδους από την λειτουργία της ΣΗΘ και της εξοικονόμησης από την υπάρχουσα εγκατάσταση. Το ποσό αυτό διαμορφώνεται σε Ο έντοκη περίοδος αποπληρωμής υπολογίζεται ότι είναι 2 χρόνια. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ακόμα ότι στην βέλτιστη διάταξη λειτουργίας μηδενίζονται τα έξοδα για την θέρμανση των κτιρίων και το επιπλέον όφελος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποπληρωμή της αρχικής επένδυση. 80

81 Χρηματορροές Λειτουργίας Συμβατική Θέρμανση ΣΗΘ Σχήμα 5.8.: Διαφορά χρηματορροών λειτουργίας ανάμεσα στην συμβατική θέρμανση και στην ΣΗΘ. Σε επίπεδο εθνικής οικονομίας, έχει η ενδιαφέρον η εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας καυσίμων που αφορούν το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο και τις εισαγωγές καθώς ο λιγνίτης είναι εθνικός πόρος και δεν επιβαρύνει το εθνικό εμπορικό ισοζύγιο. Στην σχήμα 5.9. παρουσιάζεται η μεταβολή της κατανάλωσης για αυτούς τους πόρους Πετρέλαιο Φυσικό Αέριο Εισαγωγές Σχήμα 5.9.: Μεταβολή εισαγόμενων ενεργειακών πόρων. Παρατηρείται πως αυξάνεται η κατανάλωση του φυσικού αερίου κατά MWh λόγω της κατανάλωσής του την μονάδα συμπαραγωγής ενώ μειώνεται η εισαγωγή πετρελαίου και των εισαγωγών ηλεκτρικής ενέργειας κατά MWh και 1100 MWh αντίστοιχα. Οπότε εμφανίζεται μία μείωση κατά 408 ΜWh ετησίως στις εισαγωγές ενεργειακών πόρων. 81

82 5.5. Σύγκριση βέλτιστης εγκατάστασης συμπαραγωγής με τηλεθέρμανση του κτιρίου Δ και χωρίς Σε παλαιότερη διπλωματική εργασία [5] έχει γίνει μελέτη εγκατάστασης συστήματος συμπαραγωγής με σκοπό την κάλυψη αποκλειστικά των θερμικών αναγκών του νοσοκομείου ΑΧΕΠΑ. Βάση αυτής της μελέτης το βέλτιστο οικονομικά σύστημα συμπαραγωγής αποτελείται από 2 μονάδες συμπαραγωγής 1200 kw ηλεκτρικής και 1300 kw θερμικής ισχύος έκαστη και λειτουργία υπό πλήρες φορτίο. Η χωρητικότητα του θερμοδοχείου ορίστηκε, χωρίς να βελτιστοποιηθεί, σε 30 m 3. Βάση αυτών των δεδομένων και μετά από αναπροσαρμογή των οικονομικών στοιχείων στις τρέχουσες συνθήκες προκύπτει ότι η ΚΠΑ του συστήματος χωρίς τηλεθέρμανση με χρονικό ορίζοντα επένδυσης τα 15 χρόνια αντιστοιχεί σε ΚΠΑ ΚΠΑ Με τηλεθέρμανση Χωρίς Τηλεθέρμανση ΚΠΑ Σχήμα 5.10.: Σύγκριση ΚΠΑ επένδυσης με τηλεθέρμανση και χωρίς. Προκύπτει πως παρά την αύξηση του αρχικού κόστους της επένδυσης, λόγω της κατασκευής του συστήματος της τηλεθέρμανσης, αυξάνεται το συνολικό όφελος. Το γεγονός αυτό δικαιολογείται από την μεγαλύτερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται καθώς οι μονάδες συμπαραγωγής δουλεύουν περισσότερο για την κάλυψη του επιπλέον θερμικού φορτίου του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής. 82

83 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Μετά από μια σειρά προσομοιώσεων διαφορετικών σεναρίων λειτουργίας του συστήματος συμπαραγωγής και τηλεθέρμανσης για το νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ και το κτίριο Δ της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης, καταγράφηκαν και αξιολογήθηκαν τα ενεργειακά και οικονομικά αποτελέσματα που προέκυψαν, ώστε να βρεθεί η βέλτιστη οικονομικά λύση για της εγκατάστασης και να διαστασιολογηθούν τα στοιχεία που την αποτελούν. Από την μελέτη αυτή μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για τη γενική λειτουργία μονάδων συμπαραγωγής αυτού του είδους. Τα βασικά συμπεράσματα που εξήχθησαν χωρίστηκαν σε ενεργειακά και οικονομικά Ενεργειακά Συμπεράσματα Το πρώτο συμπέρασμα, το οποίο είναι εμφανές σε όλα τα αποτελέσματα, είναι πως η χρήση του θερμοδοχείου είναι απολύτως απαραίτητη καθώς με την τοποθέτηση του στο σύστημα αυξάνεται η παραγωγή θερμικής ενέργειας από τις μονάδες συμπαραγωγής και συγχρόνως μειώνεται η παραγωγή από τους λέβητες. Το θερμοδοχείο αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην λειτουργία υπό πλήρες φορτίο όπου εξομαλύνει τις χρονικές διακυμάνσεις των θερμικών απαιτήσεων με αποτέλεσμα η μονάδα συμπαραγωγής να μπορεί να λειτουργήσει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και να έχει έτσι μεγαλύτερη αποδοτικότητα. Στα σενάρια λειτουργίας υπό μερικό φορτίο το θερμοδοχείο επιτρέπει την μείωση του χρόνου όπου οι μονάδες λειτουργούν υπό χαμηλό φορτίο, όπου η απόδοσή τους είναι μικρότερη. Για την εγκατάσταση που μελετήθηκε, η κρίσιμη χωρητικότητα του θερμοδοχείου εντοπίζεται κοντά στην περιοχή των 30m 3. Με μεγαλύτερες από αυτή χωρητικότητες η παραγωγή θερμικής ενέργειας από τις μονάδες συμπαραγωγής διατηρείται σχεδόν σταθερή ενώ για μικρότερες παρατηρείται ραγδαία μείωση της δυνατότητας παραγωγής. Βάση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων, προκύπτει πως η βέλτιστη στρατηγική λειτουργίας για όλες τις εγκατεστημένης ισχύς είναι η λειτουργία υπό πλήρες φορτίο. Αυτό ισχύει βέβαια με την απαραίτητη προϋπόθεση της ύπαρξης κατάλληλης χωρητικότητας θερμοδοχείο για κάθε περίπτωση. Αυτό δικαιολογείται από τα χαρακτηριστικά των μονάδων όπου φαίνεται μία μείωση του βαθμού απόδοσης κοντά στο 6% για λειτουργία στο 50% του πλήρους φορτίου. Παρατηρήθηκε ακόμα, πως η παραγόμενη ηλεκτρική και θερμική ενέργεια που παράγουν οι μονάδες συμπαραγωγής αυξάνεται με την αύξηση της εγκατεστημένης τους ισχύς. Όμως κρίνεται πως μια μονάδα συμπαραγωγής με μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ από αυτές που με μελετήθηκαν δεν θα προσέφερε επιπλέον θερμική και συνεπώς και ηλεκτρική ενέργεια, καθώς δεν θα υπήρχαν θερμικά φορτία για να καλύψει. Μία μονάδα μεγαλύτερης ισχύος θα μπορούσε να εγκατασταθεί μόνο με την πρόθεση να καλυφθούν μελλοντικά φορτία σε περίπτωση που το σύστημα τηλεθέρμανσης θα επεκτείνονταν μελλοντικά για την κάλυψη των θερμικών φορτίων επιπλέον κτιρίων του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. 83

84 Επιπλέον έγινε προφανής η δυνατότητα μείωσης της πρωτογενούς κατανάλωσης ενέργειας, αφού στο βέλτιστο σενάριο λειτουργίας, υπολογίστηκε μία μείωση της τάξης του 63,4%. Η δυνατότητα των εξεταζόμενων μονάδων συμπαραγωγής να λειτουργούν με βαθμό απόδοσης άνω του 88% υπό πλήρες φορτίο σε σχέση με την συμβατική ηλεκτροπαραγωγή που λειτουργεί στην περιοχή του 35% είναι ο καθοριστικός παράγοντας της θεαματικής μείωσης. Τέλος οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα κατά την ηλεκτροπαραγωγικές διαδικασία μειώνονται στο βέλτιστο σενάριο λειτουργίας κατά 76,5 %. Η μείωση αυτή είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη μείωση της πρωτογενούς κατανάλωσης καυσίμου λόγω της σύστασης του Ελληνικού ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος. Η ηλεκτροπαραγωγή στην Ελλάδα βασίζεται ιδιαίτερα στην καύση λιγνίτη, κατά την οποία παράγονται πολύ μεγαλύτερες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα ανά παραγόμενη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. Το αποτέλεσμα αυτό είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον περιβαλλοντικά, αφού καταδεικνύει την δυνατότητα των συστημάτων συμπαραγωγής να βελτιώσουν την περιβαλλοντική επίδοση της ηλεκτροπαραγωγής στην Ελλάδα Οικονομικά συμπεράσματα Η εγκατάσταση μονάδας ΣΗΘ στο νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ για την κάλυψη και των αναγκών του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής Σχολής είναι οικονομικά βιώσιμη και επικερδής για όλα τα σενάρια που μελετήθηκαν. Αυτό διαφαίνεται για χρονικό ορίζοντα 15 έτη και στο δείκτη Καθαρής Παρούσας Αξίας και της Έντοκης Περιόδου Αποπληρωμής η οποία αυξάνεται καθώς αυξάνεται η εγκατεστημένη ισχύς του συστήματος συμπαραγωγής χωρίς όμως να ξεπερνά τα 2-3 χρόνια, τα οποία συνιστούν μία ιδιαίτερα επικερδής επένδυση. Η οικονομικά καλύτερη δυνατή επιλογή εγκατάστασης ΣΗΘ στο νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ που παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ΚΠΑ σε σχέση με όλα τα σενάρια είναι η περίπτωση όπου: Η λειτουργία του συστήματος πραγματοποιείται με 2 ΜΕΚ τύπου D1200 ίσης ισχύος με 1169 kw θερμικής και 1339 kw ηλεκτρικής ισχύος η κάθε μία. Το σύστημα επιτρέπει τη λειτουργία των μηχανών μόνο σε πλήρες φορτίο Με την χρήση θερμοδοχείου με χωρητικότητα 30 m3 επιτυγχάνεται το καλύτερο οικονομικό αποτέλεσμα για την επένδυση Για την βέλτιστη διάταξη λειτουργίας της μονάδας συμπαραγωγής η ΚΠΑ για χρονικό ορίζοντα 15 έτη είναι Το Εσωτερικό Επιτόκιο Απόδοσης και η Έντοκη Περίοδος Αποπληρωμής της βέλτιστης περίπτωσης είναι 48,5% και 2,04 έτη αντίστοιχα. Σε επίπεδο εθνικής οικονομίας η εγκατάσταση της βέλτιστης διάταξης συμπαραγωγής θα εξοικονομεί 408 ΜWh εισαγόμενης πρωτογενούς ενέργειας. Η εξοικονόμηση αυτή συνεισφέρει στην βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου και στον περιορισμών της εξαγωγής κεφαλαίων για αγορά ενεργειακών προϊόντων. 84

85 Το τελικό συμπέρασμα που απορρέει από τη μελέτη αυτή είναι πως η εγκατάσταση μονάδας Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού Θερμότητας στο νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ για την κάλυψη και το θερμικών αναγκών του κτιρίου Δ της Πολυτεχνικής σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης αποφέρει εκτός από ενεργειακά οφέλη και σημαντικά οικονομικά εισοδήματα. Το κράτος πρέπει να είναι πρωτοπόρο στην εφαρμογή τέτοιων καινούργιων τεχνολογιών και δη κερδοφόρων, ώστε να υποδείξει και στον ιδιωτικό τομέα τη στροφή προς αυτή την κατεύθυνση. 85

86 86 ΕΜΘΠM

87 Βιβλιογραφία [1] Ιωάννης Σίσκος, «Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού και Θερμότητας» Ενεργειακές Τεχνολογίες, Ελλάδα, 2007 [2] Ευαγγελία Μπαλάνου, «Εφαρμογή της συμπαραγωγής στο γενικό νοσοκομείο Αθηνών ΣΙΣΜΑΝΟΓΛΕΙΟ», Διπλωματική εργασία ΣΗΜΜΥ ΕΜΠ, 2007 [3] Ελένη Κάλτσα, «Οικονομική Ανάλυση Μονάδας Συμπαραγωγής της εταιρίας AGRITEX», Διπλωματική εργασία ΤΗΜΜΥ ΑΠΘ, 2010 [4] Αριστοτέλης Αυγελής, «Ενεργειακή διαχείριση κτιρίων με έμφαση στην ποιότητα αέρα και στο εσωκλίμα», Διδακτορική Διατριβή, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη 2008 [5] Άγγελος Σωτηρίου, «Διαστασιολόγηση και οικονομική ανάλυση μονάδας συμπαραγωγής στο νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ», Διπλωματική εργασία Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη 2011 [6] Δήμητρα Πανονίδου., Θεόκλητος Καρακατσάνης, «Μελέτη βιωσιμότητας μονάδας συμπαραγωγής στο νοσοκομείο Αλεξανδρούπολης», Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, 2010 [7] Τεχνική Οδηγία Τεχνικού Επιμελητηρίου Ελλάδας, «Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού Θερμότητας και Ψύξης: Εγκαταστάσεις σε Κτήρια», Αθήνα, 2010 [8] Νόμος υπ αριθμόν 3851, Άρθρο 5, «Ορθολογικοποίηση της Τιμολόγησης Ενέργειας που Παράγεται από Σταθμούς ΑΠΕ και ΣΗΘΥΑ», Εφημερίδα της Κυβερνήσεως της Ελληνικής Δημοκρατίας, 2010 [9] Ευγενία M Λουκαδοπούλου, «Μελέτη ΣΗΘΥΑ για το Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και το Νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ», Διπλωματική Εργασία ΤΗΜΜΥ ΑΠΘ, 2009 [10] Αικατερίνη Φραγκάκη, Anders N. Andersen b, David Toke (2008) «Exploration of Εconomical Sizing of Gas Engine and Thermal Store for Combined Heat and Power Plants in the UK», Elsevier science, Energy 33, UK [11] K.C. Kavvadias A.P. Tosios, Z.B. Maroulis, (2010) «Design of a Combined Heating, Cooling and Power System: Sizing, Operation Strategy Selection and Parametric Analysis», Elsevier science, Energy Conversion and Management 51, Athens [12] Νeil Petchers (2002) «Combined heating cooling power handbook: Technologies and applications», The Fairmont Press, USA [13] Η. Κρητικού, «Διερεύνηση Εναλλακτικής Τιμολόγησης Μονάδων Συμπαραγωγής», ΡΑΕ, 2010 [14] Χρίστος Αθ. Φραγκόπουλος, Ηλίας Π. Καρυδογιάννης, Γιάννης Κ. Καραλής «Συμπαραγωγή Ηλεκτρισμού Θερμότητας» ΕΛΚΕΠΑ Αθήνα, 1994 [15] Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας «Το Ελληνικό Ενεργειακό Σύστημα» Αθήνα, 2009 [16] Κωνσταντίνος Παπακώστας, «Σημειώσεις για το μάθημα Θέρμανση» Θεσσαλονίκη, 2009 [17] Νοσοκομείο ΑΧΕΠΑ, τελευταία είσοδος 13/12/2011 [18] Google Maps, τελευταία είσοδος 16/12/

88 [19] Cogeneration Units Tedom, τελευταία είσοδος 6/2/2012 [20] Δήμος Εορδαίας, τελευταία είσοδος 13/12/2011 [21] ΕΠΑ Θεσσαλονίκης, τελευταία είσοδος 15/2/2012 [22] European Commission, τελευταία είσοδος 10/12/2011 [23] Bing Maps, τελευταία είσοδος 16/12/2011 [24] Α.ΕΙ.ΜΑ. ΑΕΒΕ, τελευταία είσοδος 8/2/2012 [25] Manicore, τελευταία είσοδος 19/2/

89 Παράρτημα Α 89

90 1. Ορισμός βασικών Οικονομικών παραμέτρων Η οικονομική αξιολόγηση στηρίζεται σε ορισμένους δείκτες ή κριτήρια. Εναλλακτικά συστήματα κάλυψης των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών του χρήστη μπορούν να συγκριθούν μεταξύ τους από πλευράς οικονομικής αξίας, εάν προσδιορισθούν οι κατάλληλοι δείκτες. Για να αποφευχθούν παραπλανητικά αποτελέσματα και λανθασμένα συμπεράσματα, ο κάθε δείκτης πρέπει να υπολογίζεται με αναγωγή μελλοντικών αξιών και όρων σε παρούσες αξίες, ώστε οι σχετικές συγκρίσεις να έχουν κοινή βάση. Ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτή η αναγωγή αναφέρεται στη συνέχεια. Τόκος και επιτόκιο Επιτόκιο είναι ο τόκος ανά μονάδα χρόνου και κεφαλαίου. Συνήθως εκφράζεται επί τοις εκατό ανά έτος. Υπάρχουν δύο όψεις του επιτοκίου: το επιτόκιο δανεισμού, που ο δανειζόμενος καταβάλλει για χρήματα που δανείσθηκε και επομένως αποτελεί δαπάνη, και το επιτόκιο αγοράς (market interest rate) που κερδίζει κάποιος όταν δανείζει ή επενδύει χρήματα. Το επιτόκιο αγοράς μπορεί να είναι επίσης ο επιθυμητός ή αναμενόμενος βαθμός απόδοσης μιας επένδυσης. Οικονομικός κύκλος ζωής της επένδυσης Ως οικονομικός κύκλος ζωής μιας επένδυσης θεωρείται η χρονική περίοδος κατά τη διάρκεια της οποίας ανακτάται το αρχικό επενδυτικό κεφάλαιο καθώς και η επιθυμητή απόδοση αυτού. Ο οικονομικός κύκλος ζωής πρέπει να είναι ίσος ή μικρότερος της πραγματικής ζωής του βασικού εξοπλισμού της επένδυσης. Πληθωρισμός Πληθωρισμός είναι η αύξηση του κόστους των αγαθών και υπηρεσιών ανά μονάδα χρόνου. Ο πληθωρισμός των επιμέρους συνιστωσών κόστους μιας επένδυσης μπορεί να διαφέρει από συνιστώσα σε συνιστώσα και από έτος σε έτος. Για λόγους ευκολίας, συνηθίζεται ο πληθωρισμός να αναφέρεται σε ένα έτος και σε συγκεκριμένη ομάδα δαπανών, π.χ., μισθοδοσία, καύσιμα, ανταλλακτικά κ.λ.π. Κόστος κεφαλαίου H μέθοδος της παρούσας αξίας μετατρέπει το σύνολο των χρηματοροών που αναμένεται να εμφανιστούν σε ένα χρονικό ορίζοντα σε μια μοναδική παρούσα αξία σε σταθερό χρόνο μηδέν. Αυτό το ποσό αναφέρεται ως καθαρή παρούσα αξία. Φυσικά, αυτό μπορεί να γίνει μόνο βάσει κάποιας υπόθεσης εργασίας για το προεξοφλητικό επιτόκιο. Δηλαδή, ο αναλυτής της επένδυσης πρέπει να χρησιμοποιήσει ως προεξοφλητικό επιτόκιο αυτό που είναι θεωρείται ευρύτερα αποδεκτό για τη δεδομένη οικονομική κατάσταση και τη συγκεκριμένη 90

91 κατηγορία επένδυσης. Το επιτόκιο αυτό αποτελεί, υπό αυτήν την έννοια, μια γενική εκτίμηση του κόστους κεφαλαίου και συχνά αναφέρεται ως ελάχιστο αποδεκτό επιτόκιο απόδοσης, (ΕΑΕΑ) ή MARR (minimum attractive rate of return). 2. Οικονομικά Κριτήρια αξιολόγησης Διάφοροι οικονομικοί δείκτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση επενδύσεων συμπαραγωγής: καθαρή παρούσα αξία, απόδοση κεφαλαίου, λόγος οφέλους κόστους, έντοκη περίοδος αποπληρωμής κλπ. Ορίζονται στη συνέχεια οι δείκτες αυτοί. Στην περίπτωση κάποιων δεικτών, απαιτείται η ύπαρξη ενός συστήματος αναφοράς με το οποίο να συγκρίνεται το εξεταζόμενο ενεργειακό σύστημα. Ως σύστημα αναφοράς κατά κανόνα θεωρείται ο συμβατικός τρόπος κάλυψης των ενεργειακών αναγκών, όπως είναι η αγορά ή παραγωγή ηλεκτρισμού από τη Δ.Ε.Η., η παραγωγή θερμότητας με λέβητα πετρελαίου κ.ο.κ. Καθαρή παρούσα αξία επένδυσης (Νet Present Value, NPV) Καθαρή παρούσα αξία είναι το συνολικό καθαρό όφελος μιας επένδυσης. Που προκύπτει ως διαφορά μεταξύ του λειτουργικού οφέλους και του συνόλου των δαπανών κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής της επένδυσης. Όλα τα ποσά εκφράζονται σε παρούσα αξία, ανηγμένη συνήθως στην αρχή του πρώτου έτους λειτουργίας του συστήματος. Η καθαρή παρούσα αξία προσδιορίζεται από τη σχέση: Όπου: Cin: αρχική επένδυση, F t : ετήσιο καθαρό όφελος, Ν: οικονομικός κύκλος ζωής της επένδυσης, d: επιτόκιο αναγωγής σε περούσα αξία (επιθυμητή απόδοση κεφαλαίου), SV N :αξία εκποίησης (απομένουσα αξία) της επένδυσης στο τέλος του οικονομικού κύκλου ζωής Ν. Διακρίνονται οι ακόλουθες περιπτώσεις: NPV>0: Η επένδυση είναι βιώσιμη κάτω από τις δεδομένες συνθήκες (οικονομικό κύκλο ζωής, Ν, και επιθυμητό βαθμό απόδοσης της επένδυσης, d). NPV=0: Η επένδυση είναι βιώσιμη με μέσο ετήσιο βαθμό απόδοσης ίσο με d. 91

92 NPV<0: Η επένδυση είναι αντιοικονομική. Απόδοση κεφαλαίου (Ιnternal Rate of Return, IRR) Απόδοση κεφαλαίου είναι η τιμή του επιτοκίου αγοράς, IRR, που κάνει την παρούσα αξία μιας σειράς πληρωμών και εισπράξεων ίση με το μηδέν. Προσδιορίζεται ως λύση της εξίσωσης: Όπου NPV η παρούσα αξία, όπως ορίζεται από την παραπάνω εξίσωση, ενώ η ένδειξη d=irr υπονοεί ότι η εξίσωση λύνεται ως προς d. Έντοκη περίοδος αποπληρωμής (Discounted Pay Back Period, DPB) Έντοκη περίοδος αποπληρωμής είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την αποπληρωμή της αρχικής επένδυσης, καθώς και των τόκων που θα μπορούσαν να ληφθούν από μια εναλλακτική τοποθέτηση του αρχικού κεφαλαίου. Προσδιορίζεται ως λύση της εξίσωσης: Όπου NPV η παρούσα αξία, όπως ορίζεται από τη εξίσωση (4.9), ενώ η ένδειξη Ν=DPB υπονοεί ότι η εξίσωση λύνεται ως προς Ν. Εάν η αξία εκποίησης είναι ίση με μηδέν (SV N =0) και επιπλέον θεωρηθεί ότι το ετήσιο λειτουργικό όφελος F t παραμένει σταθερό σε σταθερές τιμές, τότε η λύση της εξίσωσης (3.13) παίρνει την αναλυτική μορφή Μια επένδυση θεωρείται οικονομικά βιώσιμη, εάν η τιμή του DPB ικανοποιεί τις προσδοκίες του επενδυτή ως προς το χρόνο αποπληρωμής. Όλα τα παραπάνω, επιτρέπουν να ληφθεί απόφαση από τους μελετητές και τον επενδυτή, σχετικά με τη βιωσιμότητα του επιλεγμένου συστήματος ΣΗΘ. 92

93 Παράρτημα Β 93

94 Πίνακας 1: Τεχνικά στοιχεία των μηχανών συμπαραγωγής από τον κατασκευαστή. Quanto D770 Quanto D1200 Quanto D1600 Quanto D2000 Μέγ. Ηλεκτρική ισχύς (KW) Μέγ. Θερμική ισχύς (KW) Κατανάλωση Ενέργειας (KW) Ηλεκτρική Απόδοση 41,1% 41,9% 41,8% 42,1% Θερμική Απόδοση 47,4% 48,0% 48,0% 47,0% Συνολική Απόδοση 88,5% 89,9% 89,8% 89,1% Κατανάλωση Φ.Α. στο 100% (m 3 /h) 199,4 296,0 395,0 506,0 Κατανάλωση Φ.Α. στο 75% (m 3 /h) 153,0 229,0 305,0 384,0 Κατανάλωση Φ.Α. στο 50% (m 3 /h) 107,0 160,0 213,0 268,0 Μηχανή Εσωτερική Καύσης Κυβισμός (lt) 35 53,1 70,8 88,5 Αριθμός Κυλίνδρων 16,0 12,0 16,0 20,0 Διάταξη Κυλίνδρων V V V V Διάμετρος Εμβόλου (mm) Διαδρομή Εμβόλου (mm) Λόγος Συμπίεσης 12 : 1 13,5 : 1 13,5 13,5 Στροφές Λειτουργίας (min -1 ) Κατανάλωση Λαδιού (g/kwh) 0,3 0,3 0,3 0,3 Μέγ. Ισχύς (KW) Γεννήτρια Ισχύς (kw/kva) 774/ / / /2518 Συντελεστής ισχύος (cosφ) 0,8 0,8 0,8 0,8 Απόδοση 96,8% 97,4% 97,4 97,3 Μέγ. Θερμοκρασία Λειτουργίας ( o C) Τάση (V) Συχνότητα (Hz) Στροφές Λειτουργίας (min -1 ) Εναλλάκτης Καυσαερίων Όγκος Καυσαερίων (Nm 3 /h) Θερμοκρασία Καυσαερίων στην Είσοδο ( o C) Θερμοκρασία Καυσαερίων στην Έξοδο ( o C)

95 Θόρυβος Λειτουργίας Θόρυβος 1 m απο την Μηχανή (db) Θόρυβος 1 m απο την Εξάτμιση (db) Διαστάσεις και Βάρη Μήκος (mm) Πλάτος (mm) Ύψος (mm) Βάρος (kg)

96 96 ΕΜΘΠM

97 Παράρτημα Γ 97

98 Πίνακας 2.: Βάση δεδομένων των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων 98

99 Πίνακας 3.: Οικονομικά αποτελέσματα των σεναρίων. 99

100 Πίνακας 4.: Σενάρια υπολογισμού του βέλτιστου θερμοδοχείου 100