mgr inż. Tomasz Bacza

specjalista ds. energetycznych Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej S.A.

Produkcja energii elektrycznej i cieplnej ze źródeł odnawialnych na Oczyszczalni Ścieków Tychy-Urbanowice

Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej S.A. zostało utworzone jako jednoosobowa spółka Gminy Tychy. Do 2000 roku Spółka prowadziła działalność polegającą na przeprowadzaniu specjalistycznych szkoleń, seminariów i prezentacji adresowanych do personelu zatrudnionego w gospodarce wodno-ściekowej i administracji samorządowej. Od lutego 2000 roku w imieniu Gminy Tychy, Spółka zarządzała obiektami Oczyszczalni Ścieków w Tychach-Urbanowicach przy ul. Lokalnej.

W 2003 roku podpisana została umowa z Gminą Tychy, dotycząca przekazania nieruchomości Oczyszczalni Ścieków na majątek Spółki, a w czerwcu 2004 roku Gmina przekazała Spółce aportem maszyny i urządzenia oczyszczalni.

Obecnie RCGW S.A. zajmuje się oczyszczaniem ścieków komunalnych, wytwarzanych przez mieszkańców miasta Tychy oraz przez niektóre zakłady funkcjonujące w mieście. Rocznie na oczyszczalnie dopływa około 12 mln m3 ścieków

Do kwietnia 2006 roku na oczyszczalni ścieków w Tychach Urbanowicach biogaz spalany był w kotłach koksowych Eca IVa-18, przystosowanych do spalania biogazu i stanowił paliwo do produkcji ciepła zużywanego do wspomagania procesów technologicznych oraz grzewczych. Sprawność tych kotłów była jednak bardzo niska (~50%), co uniemożliwiało efektywne wykorzystanie produkowanego biogazu. Kotły te również charakteryzowały się bardzo dużą awaryjnością. W 2005 roku zanotowano 8 awarii kotłów. Awarie wymuszały czasowe wyłączenia urządzeń z użytku i przeprowadzenie generalnych remontów. Było to tym trudniejsze, iż na rynku brakowało części rezerwowych do tego typu kotłów. Konieczne, więc było wyłączenie z eksploatacji starych kotłów i zastąpienie ich urządzeniami o lepszej sprawności energetycznej, które pozwoliły na znacznie lepsze wykorzystanie energii zawartej w biogazie. W tym czasie oczyszczalnia nie dysponowała innym sposobem zagospodarowania biogazu, jak spalenie nadmiarowego gazu w pochodni. W okresie letnim, przy obniżonym zapotrzebowaniu na energię cieplną problem ten stawał się szczególnie dotkliwy.

W celu racjonalnego zagospodarowania biogazu i zapewnienia ciągłości pracy oczyszczalni podjęto realizacje projektu „Energetyczne zagospodarowanie biogazu pochodzącego z modernizowanej oczyszczalni ścieków w Tychach - Urbanowicach. Projekt jest częścią programu inwestycyjnego pt. Modernizacja oczyszczalni ścieków w Tychach – Urbanowicach Etap III. W założeniach projektowych zostało przewidziane wykorzystanie biogazu pochodzącego z ciągu przerobu osadów Oczyszczalni Ścieków w Tychach – Urbanowicach do produkcji energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu.

Kogeneracja to inaczej skojarzona gospodarka energetyczna, oparta na jednoczesnym wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej. System kogeneracyjny zwany również systemem CHP (z ang. Combined Heat and Power) docelowo na terenie oczyszczalni będzie składał się z dwóch agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki spalinowe zasilane biogazem, powstałym w wyniku procesu fermentacji osadów w Wydzielonych Komorach Fermentacyjnych.

W okresie planowania projektu w roku 2002 został ustalony sposób podłączenia elektrowni biogazowej do sieci zewnętrznej zakładu energetycznego poprzez osobny transformator i linię SN. W wyniku późniejszych analiz w roku 2004 stwierdzono, iż korzystniejsze dla RCGW S.A. będzie, wykorzystanie energii produkowanej w modułach kogeneracyjnych na potrzeby własne zakładu oraz podpięcie go do istniejącej sieci rozdzielczej niskiego napięcia. To rozwiązanie zakładało wykorzystanie energii na potrzeby własne jak również sprzedaż energii do zakładu energetycznego. Po zmianie ustawy Prawo Energetyczne w roku 2005, która wprowadziła świadectwa pochodzenia energii elektrycznej oraz zaliczenia biogazu do paliw odnawialnych, co spowodowało konieczność zmodyfikowanie projektu poprzez dodanie pomiaru ilości energii brutto na generatorze. Rozwiązanie to umożliwiało nam zgodnie z obowiązującymi przepisami rozliczanie się z wyprodukowanej energii elektrycznej, i otrzymywanie za nią świadectw pochodzenia. Schemat włączenia agregatów do sieci przedstawia na rysunku 1.

Rozpoczęcie inwestycji oraz produkcji energii elektrycznej było poprzedzone następującymi krokami:

- Uzyskaniem decyzji o pozwoleniu na budowę

- Wystąpienie o Uzyskanie warunków przyłączenia do sieci elektroenergetycznej Zakładu Energetycznego – wraz z niezbędnymi danymi i ekspertyzami –  miedzy innymi ekspertyzą wpływu zamontowanych generatorów synchronicznych na Krajowy System Energetyczny

- Uzyskanie warunków przyłączenia do sieci elektroenergetycznej Zakładu Energetycznego

- Uzyskanie Promesy na wytwarzanie Energii Elektrycznej wydanej przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki – (niekonieczne, czasem wymagane w procesie inwestycji).

- Podpisanie umowy na przyłączenie obiektu do sieci elektroenergetycznej Zakładu Energetycznego

- Uzgodnienie projektu wykonawczego na włączenie do sieci generatorów synchronicznych z Zakładem Energetycznym.

- Pozwolenie na użytkowanie agregatu prądotwórczego wydane przez Powiatowy Inspektorat Nadzoru Budowanego.

- Uzyskanie koncesji na wytwarzanie energii elektrycznej wydanej przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki

- Rejestracja na Towarowej Giełdzie Energii S.A(TGE).

- Odbiór układów zabezpieczeń i rozliczeniowych przez Zakład Energetyczny,

- Podpisanie umowy dystrybucyjnej z lokalnym Zakładem Energetycznym

- Podpisanie umowy na sprzedaż energii elektrycznej z Zakładem Energetycznym lub innym odbiorcą.

- Podpisanie umowy na sprzedaż świadectw pochodzenia lub sprzedaż bezpośrednią na TGE,

W kwietniu 2006 r na oczyszczalni zamontowano nowoczesny kocioł nisko temperaturowy o mocy cieplnej 895 kW  Vitoplex 100 z palnikiem dwufunkcyjnym olejowo – gazowym. Głównymi zalety tego kotła są:

·         wysoka sprawność  94%.

·         Kocioł trzyciągowy o niskim obciążeniu komory spalania - dzięki temu spalanie niskoemisyjne z niskimi emisjami tlenków azotu.

·         Brak wymogu minimalnego przepływu wody grzejnej - obszerny płaszcz wodny i duża pojemność wodna zapewniają dobre warunki samoczynnej cyrkulacji wewnętrznej i dobrego przekazywania ciepła - uproszczenie układu hydraulicznego.

·         mała powierzchnia zajmowana dzięki kompaktowej budowie

·         Długie cykle robocze palnika i mniejsza częstość włączania przy dużej pojemności wodnej zmniejsza obciążenie środowiska.

·         Ekonomiczna i bezpieczna praca instalacji grzewczej dzięki cyfrowemu systemowi regulacji Vitotronic. System ten, dopasowujący się do każdej potrzeby, realizuje wszystkie znane strategie regulacji i rodzaje zastosowań. Standardowa magistrala komunikacyjna LON umożliwia kompletne włączenie instalacji w system automatyki budynku. Zdalne monitorowanie poprzez Internet z modułami Vitocom i Vitodata. Możliwa integracja w szafkach sterowniczych Vitocontrol.

Dzięki kotłowi oczyszczalnia ta ma zapewnione ciepło nawet w przypadku braku biogazu – kocioł będzie wtedy pracował na oleju opałowym. Docelowo kocioł będzie urządzeniem rezerwowym – energia cieplna potrzebna do procesów technologicznych i ogrzewania budynków będzie produkowana na zespołach kogeneracyjnych. Równocześnie z kotłem wymieniono instalację węzła centralnego ogrzewania oraz ciepła technicznego oczyszczalni. System rozdzielaczy zapewnia rozprowadzenie ciepła do wszystkich obiektów oczyszczalni, a poprzez nowy wymiennik spiralny, który zastąpił stare wymienniki rurowe ogrzewany jest osad w Wydzielonych Komorach Fermentacyjnych.

Ilość miejsca zajmowana przez nowy wymiennik jest prawie 10 krotnie mniejsza przy praktycznie identycznych mocach cieplnych.

Wyłączenie z eksploatacji 2 starych kotłów węglowych opalanych koksem oraz 2 starych kotłów koksowych przystosowanych do spalania biogazu, pozwoliło na osiągnięcie znacznych oszczędności. Spowodowanych brakiem konieczności zakupu koksu (produkcja energii cieplnej i elektrycznej wyłącznie z biogazu), opłat środowiskowych oraz zmniejszeniem się kosztów eksploatacji.

Zdjęcie 1. Stare kotły oraz wymiennik

Zdjęcie 2. Kocioł oraz moduł kogeneracyjny podczas montażu

Agregaty prądotwórcze, z silnikiem tłokowym sprzężonym z generatorem synchronicznym oraz wyposażone w szereg wymienników ciepła, posiadają wielosystemową armaturę. Wyposażone w obudowy dźwiękochłonne, wewnętrzne, tłumiki hałasu na spalinach i na wylocie powietrza, jak również szafę sterowania umożliwiającą monitoring i wizualizację parametrów pracy systemu. Układ grzewczy przystosowany jest do niskoparametrowych kotłowni (90/70oC). Energetyczne wykorzystanie biogazu obejmuje zarówno produkcję energii elektrycznej, jak i wykorzystanie ciepła odpadowego wytwarzanego przez silnik, sprężaną mieszankę gazową, olej smarujący czy spaliny. Całkowita sprawność urządzenia wynosi ponad 90%, natomiast energia elektryczna generowana jest sprawnością ponad 35%.

Od lipca 2006 r. na oczyszczalni pracuje agregat prądotwórczy typu MBk3042 L1Z produkcji MDE z silnikiem gazowym z zapłonem iskrowym turbodoładowanym o mocy elektrycznej 345 kW i mocy cieplnej 531 kW. Zastosowana w tym agregacie zasada ubogiej mieszanki zapobiega wydzielaniu się substancji toksycznych i zanieczyszczających środowisko już u samego źródła tzn. podczas spalania paliwa w cylindrze silnika. Spaliny są o wiele czystsze niż przewidują normy. System kontrolny składu mieszanki (kontrola lambda) zapewnia optymalne spalanie i zapobiega nadmiernemu zużyciu silnika nawet przy zmiennej zawartości metanu wahającej się pomiędzy 40 do 75 % objętości gazu. Układ wody chłodzącej silnika i wylotu spalin jest przyłączony do instalacji węzła centralnego ogrzewania oraz ciepła technicznego oczyszczalni. Odpowiedni układ sterowania i regulacji zapewnia płynną współpracę agregatu z zewnętrzną siecią energetyczną oraz zakładową siecią centralnego ogrzewania i ciepła technicznego. Jedną z innowacji zastosowana w tym układzie jest rezygnacja z standardowego układu zrzutu ciepła nadmiarowego do chłodni wentylatorowej. Zamiast typowego układu tego typu wykorzystano układ chłodzenia ściekiem oczyszczonym. Zastosowano wymiennik cieplny płytowy, oraz pompę zanurzoną w kanale. Wydajność układu jest regulowana poprzez regulator i przemiennik częstotliwości, w zależności od potrzeb.

Realizacja tego zadania pozwoliła między innymi na:

1. Oszczędności poprzez produkcję energii cieplnej i elektrycznej ze źródeł odnawialnych która w okresie 01.08.2006 do 28.02.2007r wyniosła:

• - Produkcja energii elektryczne 1355 MWh, z czego 98,9 % została zużyta na potrzeby własne, pozostała część została sprzedana do zakładu energetycznego
• - Produkcja energii cieplnej 2058 MWh

co ograniczyło produkcję energii ze źródeł konwencjonalnych. Dzięki temu RCGW S.A jest w stanie zaspokoić całkowicie potrzeby cieplne oraz 49% potrzeb w zakresie energii elektrycznej.

2. Uzyskanie efektu ekologicznego poprzez energetyczne zagospodarowanie biogazu pochodzącego z modernizowanej oczyszczalni ścieków w Tychach Urbanowicach, co w znaczący sposób ograniczy emisję zanieczyszczeń do powietrza:

Tabela 1. Zanieczyszczenie powietrza

Podkreślenia wymaga fakt, iż zrealizowane zadanie wiąże się z ochroną klimatu poprzez ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Gaz ten, bowiem choć nie jest groźny w bezpośredni sposób dla życia człowieka, jest odpowiedzialny za zjawisko zwane efektem cieplarnianym.

Efekt ekologiczny realizacji zadania wynikł przede wszystkim z:

• - ujmowania i energetycznego spalania części biogazu powstającego w ZKF–ach,
• - likwidacji niskowydajnej, opalanej częściowo węglem, kotłowni zakładowej,
• - zastąpieniu energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł nieodnawialnych energią wytwarzaną z biogazu.

3. Uzyskanie efektu ekonomicznego polegającego na:

· generowaniu dodatkowych dochodów związanych ze sprzedażą energii elektrycznej, które są stosunkowo niewielkie ze względu na cenę zakupu wynoszącą około 115 zł/MWh,

· generowaniu dodatkowych dochodów w wyniku sprzedaży świadectw pochodzenia, których cena na Towarowej Giełdzie Energii  ostatnio praktycznie zrównała się z ceną opłaty zastępczej i wynosi około 240 zł/MWh

· zmniejszeniu kosztów eksploatacyjnych, które wywołane są:

- uzyskaniem oszczędności z nie zakupionej energii elektrycznej w, zakładzie energetycznym, średnia cena około 205 zł/MWh,

- uzyskaniem oszczędności z tytułu braku konieczności zakupu węgla (produkcja energii cieplnej i elektrycznej wyłącznie z biogazu),

- uzyskaniem oszczędności kosztowych związanych z wyłączeniem z eksploatacji obecnie użytkowanych kotłów węglowych,

- zmniejszeniem opłat środowiskowych płaconych za emisję szkodliwych gazów do powietrza zapewnienie ciągłości pracy

W chwili obecnej efekt ekonomiczny wynosi około 85 tys. zł/m-c, co skutkuje czasem zwrotu nakładów inwestycyjnych krótszym niż 3 lata.

Dzięki realizacji modernizacji części osadowej oczyszczalni, która rozpoczęła się lutym tego roku, możliwe będzie przejście do drugiej fazy zagospodarowanie biogazu, obejmuje między innymi budowę dwóch komór fermentacyjnych o pojemności 5500m3 każda, co umożliwi pełne przefermentowanie osadów. Komory będą wyposażona w rewersyjne szybkoobrotowe zabezpieczające pełne wymieszanie komór. Zabezpieczy to ilość biogazu niezbędną do uruchomienia drugiego agregatu prądotwórczego. Uruchomienie drugiego agregatu pozwoli zwiększyć produkcję energii elektrycznej do 5040 MWh rocznie, co powinno zaspokoić potrzeby oczyszczalni, w co najmniej 95%. Da to oszczędność w wysokości ok 2,2 mln zł rocznie oraz zwiększy efekt ekologiczny ograniczając emisję zanieczyszczeń do powietrza. Przeprowadzenie procesu modernizacji kotłowni mimo złożoności zadania przynosi wiele pozytywnych efektów opisanych powyżej. W prowadzeniu procesu inwestycji należy korzystać z instytucji funduszy ekologicznych lub inny programów pomocy. W naszym przypadku uzyskaliśmy z ekofunduszu dotacje w wysokości 712 tys zł. Należy dążyć do wprowadzania nowych rozwiązań wykorzystujących paliwa odnawialne, gdyż przyczynia się do poprawy naszego środowiska oraz dają wymierne efekty finansowe.