Házi dolgozat Energetika II. tantárgyból Budapest, 2012. május 2.
Bevezetés A világ végenergia-felhasználásának több, mint 2/3-a hő, melynek körülbelül 50%-a esik a lakossági és intézményi fogyasztókra. *1+. E nagy részarány indokolja, hogy különös figyelmet kell fordítanunk arra, hogy milyen fűtési módokkal elégítjük ki a felhasználói igényeket. Bár egyes elképzelések szerint hosszútávon az alacsony energiaszintű házak idővel teljesen kiválthatják a fűtés szükségességét, arra napjainkban még nem született megoldás, hogy a már meglévő épületállomány hőfelhasználását hogyan lehetne gazdaságosan kiiktatni. Egy dán kutatás szerint azonban a már ma is meglévő épületek fogják kitenni a 2030-as dániai épületállomány 85-90%-át [2], az alacsony energiafelhasználású házak részaránya így a távolabbi jövőben sem lesz meghatározó. Ha tehát csökkenteni kívánjuk a tüzelőanyagfelhasználást, és ezzel együtt a károsanyag-kibocsátást természetesen a fogyasztói oldal mellett a termelő oldalra is kiemelt hangsúlyt kell fektetnünk. A lakossági - kommunális hőszolgáltatás egyik alapvető megvalósítási módja a távhőrendszeren keresztül történő hőellátás, melynek lényege, hogy a fűtőerőműben, fűtőműben fosszilis tüzelőanyagokból vagy megújuló energiaforrásokból előállított hőt forróvíz juttatja el távvezeték-hálózaton keresztül a fogyasztói hőközpontokba. *1+ A távhő részaránya a teljes lakossági hőellátásban országonként gyökeresen eltérő lehet. A legmagasabb részarány a skandináv és a balti államokban jellemző: Finnországban a lakások kb. 50%-a [4+, Dániában 60%-a [2], Lettországban 65%-a [3] távhővel fűtött. Hazánkban 15%- ra tehető a távhővel fűtött lakások aránya. Gyakran vitatott kérdés azonban, hogy a távhő gazdaságos és versenyképes megoldás-e a lakossági hőigény kielégítésére. A kérdésre általános érvényű válasz nem adható, hiszen az eltérő országok eltérő energiarendszerei más-más megoldási módokat igényelnek. Dolgozatom célja, hogy bemutassam a távhőellátásban jellemzően alkalmazott hőtermelési módokat, külön kiemelve egy, hazánk szempontjából meghatározó technológiát; valamint, hogy bemutassam, hogy milyen paraméterek befolyásolják azt, hogy a távhő versenyképes-e egy adott településen. A távhőrendszer lehetséges hőforrásai A távhőrendszer nagy előnye, hogy a hőforrásra nézve meglehetősen igénytelen : míg az egyedi fűtés jó minőségű tüzelőanyagot igényel (földgáz, jó minőségű biomassza), a távolsági hőellátásban kommunális hulladék, gyengébb minőségű biomassza és alacsonyabb hőmérsékletű ipari hő is hasznosítható hőforrásként. *1,4+ Ennek ellenére napjainkban a távhőrendszer elterjedt tüzelőanyaga a földgáz *3+, hazánkban pedig kiugró, 80%-os részaránnyal bír. [4] Egyre jobban teret nyernek a megújuló energiaforrások is: Európában ma a fűtési rendszerek 49%-a geotermikus energián alapul, bár a legújabb felmérések szerint a kapcsolt energiatermelés és a kommunális hulladék égetése hatékonyabb megoldás az energiatakarékosság és a kibocsátás-csökkentés szempontjából. Komoly potenciál rejlik a biomassza-elgázosító üzemekben is: a bioüzemanyagot gyártó létesítményekben jelentős mennyiségű hulladékhő keletkezik, az üzemet egy távhőrendszerre kapcsolva ezért tüzelőanyag-megtakarítás érhető el. A biomassza tüzelőanyagként történő alkalmazása (pl. faapríték, fahulladék, tőzegláp) is elterjedt megoldás, és gazdaságosabb a fosszilis tüzelésnél. Egyes elképzelések szerint a napenergia hasznosítása is hatékony módszer egy távhőrendszerben, és gazdaságos alkalmazására vannak megvalósult példák. *3+ 1
A legtöbb tanulmány egyetért abban, hogy a kommunális hulladék elégetése is meghatározó hőforrása lehet a jövő távhőrendszereinek, és hasonló a kapcsolt energiatermelés megítélése is, bár erről, amit azt látni fogjuk, vannak eltérő vélemények is. Kiemelkedő jelentőségű lehet az ipari hulladékhő hasznosítása is: bár Svédországban a lakosság a hőigény 9%-át az ipar elégíti ki, az európai kapacitások ma még kihasználatlanok. [6] Ezen kapacitások kihasználása kulcskérdés a távhő jövőbeni versenyképességének szempontjából és nagymértékben hozzájárulhat a környezetvédelmi és tüzelőanyagmegtakarítási kívánalmak teljesüléséhez. Kapcsolt energiatermelés földgáz tüzelőanyaggal Bár a távfűtés alapvetően az alacsony hőmérsékletű, ún. hulladékhő hasznosításakor versenyképes, érdemes megvizsgálnunk, hogy mi a helyzet akkor, ha a hőt földgáztüzelésű, kapcsoltan hőt és villamos energiát termelő erőművekben állítjuk elő. (nem utolsósorban azért is, mert hazánkban kiugróan nagy, 80% a földgáz részaránya a távhőellátásban *4+) Egy olasz tanulmány *5+ több, különböző kapcsolt energiatermelési módot (más néven kogeneráció vagy Combined Heat and Power, CHP) hasonlított össze különböző egyedi fűtési metódusokkal. A vizsgált kogenerációs technológiák között a gőz munkaközegű fűtőerőmű, a gázmotor, a gázturbina, valamint a kombinált ciklusú gáz-gőz fűtőerőmű szerepel. A kogenerációval termelt hő tüzelőhő felhasználásának meghatározásához a napjainkban elérhető legjobb hatásfokú gáz-gőz kombinált ciklusú erőmű tekinthető referenciának. Egy ilyen erőműnél 55%-os hatásfokkal számolva 100 MJ e villamos energia előállításához 100/0,55 = 182 MJ f tüzelőanyag szükséges. CHP-technológia alkalmazásakor a villamos hatásfok ennél kisebb, így ugyanakkora kiadott villamos energiához nagyobb fajlagos tüzelőhő-felhasználás tartozik. 40%-os kogenerációs hatásfokkal számolva például 100/0,4 = 250 MJ f a tüzelőhő-felhasználás. A kapcsolt hőtermelés tüzelőhő-igénye a kapcsolt és a kondenzációs tüzelőhő-fogyasztás különbsége, példánkban tehát 250-182 = 68 MJ f. A csúcsigények kielégítésére ugyanakkor csúcskazánokat is működtetni kell a rendszerben, melyek nem elhanyagolható részét (Olaszországban 22%-át) adják a távfűtéssel évente előállított hőmennyiségnek: ez lerontja a fűtőerőművek hatásfokát. Mivel a kogenerációt egyedi fűtési rendszerekkel hasonlítjuk össze, a tüzelőhő-felhasználáshoz nem a kiadott, hanem a hasznos, fogyasztókhoz eljutó hőmennyiséget kell viszonyítanunk, ezért 11%-os hőveszteséget veszünk figyelembe. A kiadott hasznos hőmennyiséget a kapcsolt hőtermelés tüzelőhő-igényével elosztva egy olyan viszonyszámot kapunk, amellyel a hőtermelés hatásossága jól értékelhető. [5] A tanulmány négy egyedi fűtési módot állít szembe a kapcsoltan termelt távhővel: ezek a földgáztüzelésű kondenzációs gőzkazán, valamint a gázmotoros, elektromos és abszorpciós hőszivattyú, ezeket szintén az alapján hasonlíthatjuk össze, hogy egységnyi tüzelőhő befektetésével mennyi a kinyerhető hasznos hőmennyiség. (mivel a hőszivattyúk teljesítménytényezője változhat az üzemi állapot függvényében, ezeknél egy lehetséges intervallum van megadva) A távfűtési és egyedi fűtési megoldások hatásosságát az alábbi diagram szemlélteti: 2
1. ábra *5+: A fogyasztókhoz eljutó hasznos hőmennyiség aránya a hőtermelés tüzelőhő-igényéhez, a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés villamos hatásfokának függvényében (CHP&DH: távhőellátás kapcsolt energiatermeléssel, ICE: gázmotor, GTCC: kombinált gáz-gőz ciklus, CHP/DH: távhőellátás kapcsolt energiatermeléssel) Minél távolabb helyezkedik el egy pont a vízszintes tengelytől, értelemszerűen annál nagyobb a hőtermelés hatásossága. Az ábráról jól látható, hogy minden CHP-technológiához tartozik egy villamosenergia-előállítási hatásfokhatár: ennél nagyobb hatásfok esetén az adott technológia energetikailag kedvezőbb a kondenzációs kazánnal megvalósított egyedi fűtésnél ez a kombinált ciklusú gáz-gőz erőműnél jellemzően megvalósul, de a többi CHPtechnológiánál nem. A gázmotoros és abszorpciós hőszivattyús technológiák a tipikusan elérhető teljesítménytényező-értékek esetén hatásosabbak a CHP-megoldásokkal szemben, a legkedvezőbb hatásosság azonban az elektromos hőszivattyúnál érhető el. Az egyetlen eset, amikor a kapcsolt távhőellátás a legkedvezőbb energetikailag, akkor érhető el, ha 45%- nál nagyobb villamosenergia-termelési hatásfokú kombinált ciklusú berendezést valósítunk meg. A mai korszerű *1+ kombinált ciklusú kapcsolt fűtőerőművek villamosenergia-termelési hatásfoka 40-48%, azaz csak a legkorszerűbb konstrukciók esetén lehet a távhő versenyképes. Célszerűbb a földgáztüzelésű kapcsolt energiatermelés helyett ahol ez lehetséges a hőt egyedi fűtéssel, elektromos hőszivattyúval, a villamos energiát kombinált ciklusú erőműben előállítani. A CO 2 -kibocsátásra hasonló megállapítás tehető: kb. 44%-os hatásfok felett a kombinált ciklus kedvezőbb megoldás, mint az egyedi fűtés, ha azonban nem érjük el ezt a hatásfokot, akkor az abszorpciós, valamint a gázmotoros hőszivattyú a környezetvédelmi szempontból legkedvezőbb konstrukciók. Fontos megemlítenünk, hogy az eddig elmondottak csupán az energetikai hatékonyságra vonatkoznak. Gazdasági szempontból a magas villamosenergia-költségek miatt a kombinált ciklus a villamosenergia-termelési hatásfoktól függetlenül versenyképesebb, mint az elektromos hőszivattyú. Figyelemre méltó az a tény, hogy az állami árszabályozás a CHP-technológiákat részesíti előnyben az egyedi fűtés helyett, a kondenzációs kazán és a különböző hőszivattyúk esetén is magasabb a gázár, mint a távhőnél. Ezt jellemzően a kapcsolt távhőellátás magasabb hatásfokával és a kisebb környezeti terheléssel indokolják, azonban, mint láthattuk, ez valójában nem mindig érvényes, így a kedvezőbb árszabás nem feltétlenül indokolt. Azonos gázárak mellett, ha a kombinált ciklussal és a gázturbinával szemben nem is, a gázmotorral szemben versenyképesebbek lennének az egyedi fűtési technológiák. 3
Versenyképesség a hőszállítás szempontjából Az eddigiekben a szolgáltatott hő előállításának költségeit vizsgáltuk meg egy távhőrendszer esetében. Az egyedi fűtéssel ellentétben ez azonban még nem jelenti a teljes költséget, hiszen figyelembe kell vennünk a termelőtől a fogyasztóig történő hőszállítás költségét is. Ehhez meg kell határoznunk, hogy melyek azok a paraméterek a fogyasztói oldalon, amelyek befolyásolják a szállítási költséget. A szállítási költség négy költségrészre osztható fel. [6] Döntő részét több, mint 50%-át a leírási költség adja, mely azt az évi költségrészt jelenti, ami a távhőhálózat kiépítéséhez szükséges beruházási költség megtérülésére fordítódik. A második költségrész a szállítási hőveszteségek fedezését jelenti, mely a hőhordozó közeg hőmérsékletének, a környezeti hőmérsékletnek, a csővezeték átmérőjének és csőfal hőellenállásának függvénye. A harmadik költségrész a hálózati nyomásveszteségek fedezésére fordítódik, végül pedig kis mértékben a karbantartási költség is szerepet játszik. A továbbiakban csak a tőkeköltséget vizsgálom, mivel túlnyomórészt ez befolyásolja a szállítási költséget, és ez az, amit a fogyasztói hőigény, valamint a távhővel ellátott városrész paraméterei döntően befolyásolnak, ahogy azt a következőkben látni fogjuk. Egy távhőrendszer beruházási költségét és így a tőkeköltséget két tényező határozza meg: az ellátni kívánt terület hőigénye, és az, hogy a fogyasztók milyen messze helyezkednek el egymástól, azaz mekkora csővezetéki kapacitást kell kiépítenünk. Ennek jellemzésére vezessük be a lineáris hősűrűség fogalmát, azaz a Q/L hányadost, ahol a Q az évente eladott hőmennyiséget [GJ/a], L a teljes távhőellátási hálózat hosszát *m+ jelenti. Nyilvánvaló, hogy minél nagyobb ez az arányszám, annál kisebb a szállítási költség. A leírási költség a lineáris hősűrűség fogalmával az alábbi összefüggés szerint írható fel: *6+ A képletben a az annuitás, azaz a diszkontálást kifejező tényező, C 1 a fajlagos beruházási költség csőátmérőtől független része *pénzegység/m+, C 2 a csőátmérőtől függő beruházási költségrészt figyelembe vevő költségtényező *pénzegység/m 2 +, d az átlagos csőátmérő *m+ és (Q/L) a lineáris hősűrűség. *GJ/m a] Ez az összefüggés a gyakorlatban nehezen alkalmazható a tőkeköltség meghatározására, hiszen a beruházás előtt nem ismerhetjük sem az éves hőigényt, sem a távvezetékhálózat hosszát. A képlet azonban könnyen átalakítható, ha bevezetjük változóként az ellátni kívánt város(rész) népességét (P *-+), területét (A L [m 2 ]), valamint a város(részben) található épületek fűtött területét. (amely többszintes épületek esetén nem egyenlő az épület alapterületével) (A B [m2] ) Ekkor a következő összefüggést kapjuk: [6] A képlet nevezőjében így előzetesen felmérhető és konkrét fizikai tartalommal bíró paraméterek szerepelnek. q jelenti az egységnyi fűtött területre eső éves hőszükségletet, α a település teljes épületállományából egy főre eső fűtött területet, p a népsűrűséget, w pedig az úgynevezett effektív szélességet, mely azzal van összefüggésben, hogy az egyes épületek fűtéséhez milyen hosszú csővezeték szükséges. [6] Ezen változók közül a 4
népsűrűség, az egy főre eső fűtött terület, valamint a fűtési igény előzetesen felmérhető, az effektív szélesség pedig a tapasztalatok alapján az úgynevezett telekaránnyal (e) áll összefüggésben, melynek értelmezése: e= A B /A L, azaz gyakorlatilag az adott város(rész) beépítettségét mutatja meg. A telekarány és az effektív szélesség között empirikus (negatív kitevőjű exponenciális, azaz nagyobb beépítettséghez kisebb effektív hossz tartozik) összefüggések állíthatók fel, maga a telekarány pedig már előzetesen ismert adat. Az átlagos csőátmérő szintén empirikus összefüggések alapján a lineáris hősűrűséggel áll logaritmikus kapcsolatban, azaz a nagyobb népsűrűségű, nagy hőigényű területeken nagyobb keresztmetszetű vezetéket kell kiépíteni. A költségtényezők felvételekor figyelembe kell vennünk, hogy a nagyobb beépítettségű területekhez nagyobb állandó- és változó költségtényező tartozik. Összefoglalva: minden, a képletben szereplő tényező előzetesen ismert, így a tőkeköltség megbecsülhető. Egy széleskörű európai felmérés *6+ arra keresett választ négy nyugat-európai ország adatai alapján, hogy a fenti paraméterek ismeretében a távhő milyen piaci részarány mellett lehet versenyképes. Az eredményeket a következő diagram mutatja, mely a piaci részesedés függvényében ábrázolja a távhővezetéki hálózat tőkeköltségének határ- és átlagköltségét. 2. ábra *6+: balra: a szállítási költségek tőkeköltség-részének határ- és átlagköltsége a távhő piaci részesedésének függvényében, jobbra: határköltség a piaci részesedés függvényében eltérő beépítettségű területeknél (A: belváros, B: külső övezetek, C :kertváros) Látható, hogy 10%-os és 60%-os piaci részesedés között a határköltség nem változik meredeken, ami azt jelenti, hogy a távhőrendszer kiépítése ebben a tartományban csak kis költségnövekedéssel jár. Figyelembe véve azt, hogy a kapacitásbővítéssel az eladott hőmennyiség is nő, a távhőrendszer bővítése 60%-os piaci részesedésig ésszerű lépés a jelenlegi piaci viszonyok mellett. A 60%-os piaci részesedési korlátot az magyarázza, hogy a különböző beépítettségű városrészekhez különböző szállítási költségek tartoznak, ahogy azt a jobboldali ábra mutatja. A koncentrált hőigényű belvárosi területek kedvezőbbek a távhőellátás szempontjából, és ezt az a tényt is csak kismértékben rontja le, hogy a nagyobb beépítettségű területeknél nagyobbak a vezeték kiépítésének költségei. A 60%-os piaci részesedés teljes mértékben lefedi a belvárosi és az azt körülvevő negyedeket, a kertvárosokat viszont csak kb. 1/3-ad részben. A kapacitásbővítés így csak a kertvárosi negyedekben mehetne végbe, ez azonban a meredeken növekvő határköltség miatt már nem versenyképes. Jellemzően a 0,15-0,20-as telekaránynál kisebb beépítettségű negyedek azok, ahol nem érdemes távhőrendszert kiépíteni. 5
A fenti értékek egy átlagos, kb. 400 ezer fő népességű városra vonatkoznak, ettől eltérő népességszám esetén a versenyképes piaci részesedés is másképp alakul. A távfűtés számára a több, mint egymilliós lakosságú városok a legkedvezőbbek, hiszen ezek egyben nagy népsűrűséget és így nagy hősűrűséget jelentenek, ebben az esetben 79% az optimális piaci részesedés. Kisebb lakosságszámnál az optimális részarány is csökken, kb. 100 ezres lakosságnál már csak 24%. A távhő versenyképességét a feltüntetett értékhez képest növeli, ha a hőforrás megújuló tüzelőanyag vagy ipari hulladékhő, míg a konkurens fosszilis energiahordozókat CO 2 -díj terheli. A CO 2 -díj 1,3 2,6 /GJ tartományban mozog, míg ahogy a diagramról is leolvasható, az átlagos szállítási tőkeköltség az optimális piaci aránynál kb. 1,6 /GJ, azaz azt a pluszköltséget, amit a hőszállítás szükségessége okoz, fedezi a kibocsátás csökkentéséből eredő megtakarítás. Összegzés Zárásként érdemes lehet összevetni az eredményeket Budapest távhőrendszerével. Jelenleg a megtermelt távhő 44%-át állítják elő kapcsoltan kombinált ciklusú fűtőerőművekben, kb. 20%-át gázturbinás vagy gázmotoros fűtőerőművekben, 33%-át forróvízkazánokban és csak 3%-át hulladékhasznosítással. *4+ A kombinált ciklusú erőművek nagy részaránya előnyös a tüzelőanyag-megtakarítás szempontjából, a gázmotorok azonban kedvezőtlenebbek az egyedi fűtési megoldásokhoz képest. Ugyanakkor az a tény, hogy a fűtőerőművekben a kibocsátás koncentráltan, a lakosságtól távol történik, még a magasabb tüzelőanyag-felhasználás mellett is indokolttá teheti ezek alkalmazását. Azonban, ha figyelembe vesszük azt, hogy a távhő legnagyobb előnye épp az, hogy nem szorul rá fosszilis tüzelőanyagokra, a jelenlegi távhőrendszer mégsem mondható optimálisnak. Az előrelépést hulladékégetők létesítése, valamint az ipari hulladékhő hasznosítása jelentené. Ebben az esetben a távhőrendszer valóban egy versenyképes, megfizethető, elsősorban pedig a földgázfüggőség csökkentése miatt az ellátásbiztonságot növelő, környezetkímélő rendszer lenne. A távhő piaci részaránya a fővárosban csupán 30%, a terjeszkedésre tehát bőven van tér ha ez a terjeszkedés fosszilis eredetű hőforrások nélkül tud megvalósulni, akkor nem csupán versenyképes, de az egész társadalom számára hasznos energetikai rendszerről lehet szó. FELHASZNÁLT FORRÁSOK: 1. ŐSZ JÁNOS: Energetika jegyzet 2. H. LUND, B. MÖLLER, B.V. MATHIESEN, A. DYRELUND (2010): The role of district heating in future renewable energy systems. Energy 35: 1381-1390 3. B. REZAIE, M.A. ROSEN (2011): District heating and cooling review of technology and potential enhancements. Applied Energy, doi:10.1016/j.apenergy.2011.04.020 4. ORBÁN TIBOR előadása: A hazai távhőszolgáltatás jelene és jövője az új szabályozás és a Nemzeti Energiastratégia tükrében (BME, 2011. 11.17.) http://eszk.org/content/arch/2011/2011_2/eloadas/20111117_tavho_ea.pdf 5. R. LAZZARIN, M. NOVO (2006): Local or district heating by natural gas: Which is better from energetic, environmental and economic point of views? Applied Thermal Engineering 26, 244-250 6. U. PERSSON, S. WERNER (2011): Heat distribution and the future competitiveness of district heating. Applied Energy 88: 568-576 6