Co wycofywanie energii jądrowej ma wspólnego z kosztami ogrzewania?

Produkcja energii elektrycznej brutto w Niemczech w 2006 r.
Źródło: Niemieckie Stowarzyszenie Przemysłu Energetycznego i Wodnego (BDEW)

Szanowni Państwo,

Nasz rząd federalny właśnie przyjął rezolucję:

•  Siedem najstarszych elektrowni jądrowych w Niemczech, które początkowo zostały tymczasowo wyłączone po japońskiej katastrofie nuklearnej, nigdy nie zostanie ponownie podłączonych do sieci.
• Pozostały okres eksploatacji pozostałych dziesięciu elektrowni jądrowych zostanie ograniczony do określonej daty.
• Energia jądrowa zostanie ostatecznie wycofana pod koniec 2022 r., ale podatek od prętów paliwowych pozostanie w mocy.
• Poszukiwania ostatecznego repozytorium są intensyfikowane i rozszerzane.
• Sieci elektroenergetyczne mają zostać szybko rozbudowane, aby na przykład transportować energię wiatrową z północnych Niemiec na południe. Wykorzystywane mają być również droższe kable podziemne.
• Morskie farmy wiatrowe, energia wodna i geotermalna mają być dotowane w większym stopniu, podczas gdy dotacje dla elektrowni słonecznych i lądowych turbin wiatrowych mają zostać zmniejszone. Jednocześnie starsze turbiny wiatrowe mają zostać zastąpione nowymi, bardziej wydajnymi.
• Oprócz nowych elektrowni węglowych i gazowych, które są już w budowie, ma zostać dodanych kolejnych 10 gigawatów mocy elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi. Elektrownie te mają być jednak jak najbardziej wydajne i elastyczne. Krajowe cele redukcji emisji CO2 mają jednak zostać utrzymane.
• Finansowanie energooszczędnej renowacji budynków zostanie początkowo zwiększone do 1,5 mld euro rocznie w latach 2012-2014. Ponadto, działania mające na celu zmniejszenie zużycia energii będą łatwiejsze do odliczenia od podatku. W ten sposób rząd dąży do tego, aby każdego roku dwa procent budynków było odnawianych w celu oszczędzania energii i zmniejszenia emisji CO2.

Źródło: AFP, WELT ONLINE, WIKIPEDIA

Co to dla nas oznacza?

Ze skutkiem natychmiastowym pozbywamy się siedmiu z ostatnich 17, czyli 41% naszych elektrowni jądrowych, które według Niemieckiego Stowarzyszenia Przemysłu Energetycznego i Wodnego (BDEW) nadal odpowiadały za 23% produkcji energii elektrycznej brutto w 2009 roku. Oznacza to, że obecnie brakuje nam dobrych 91TP3 ton mocy wytwórczych energii elektrycznej, które oczywiście nadal możemy bez problemu pokryć z istniejących rezerw. Ponieważ obecnie nie ma więcej dostępnych mocy wiatrowych, wodnych, odpadowych lub fotowoltaicznych, luka ta prawdopodobnie będzie musiała zostać pokryta przez paliwa kopalne (2009: 57% produkcji energii elektrycznej) lub biomasę (2009: 4% produkcji energii elektrycznej). Należy zauważyć, że rezerwy mocy w elektrowniach mogą być wykorzystane tylko poprzez zwiększone zużycie paliwa! Biorąc pod uwagę rozkład, można założyć, że obecnie ponad 90% wyłączonej mocy jądrowej jest pokrywane przez dodatkowe wykorzystanie paliw kopalnych. Jeśli moc elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi ma być w przyszłości zwiększana tak "efektywnie i elastycznie", jak to tylko możliwe, może to oznaczać, że udział gazu ziemnego (2009: 13% produkcji energii elektrycznej) musi w szczególności wzrosnąć, ponieważ turbiny gazowe są niezwykle elastyczne i wysoce wydajne w połączeniu z turbinami parowymi. Ponadto gaz jest paliwem kopalnym o najniższej emisji CO2. Jednocześnie jest to również najważniejsze źródło energii do ogrzewania budynków w Niemczech, zwłaszcza prywatnych gospodarstw domowych.

Wniosek: Nie tylko ogrzewanie elektrycznymi pompami ciepła stanie się droższe; przygotuj się na wzrost ogólnych kosztów ogrzewania - nawet w przypadku gazu i oleju. Zainwestuj w swój system grzewczy tego lata, abyś mógł skorzystać z oszczędności już w przyszłym roku.

Dlaczego właściwie potrzebujesz obu: dwustrefowego załadunku i dwustrefowego rozładunku?

Które do tej pory rozeszły się po okolicy...

jest to, że najlepsze możliwe uwarstwienie jest podstawą efektywnego wykorzystania zbiorników buforowych. Dzieje się tak dlatego, że tylko zasobnik, który jest tak dobrze uwarstwiony, jak to tylko możliwe, może nadal absorbować ciepło, gdy jest już względnie pełny i uwalniać ciepło, gdy jest już względnie pusty. Tajemnica tej korzyści tkwi w fakcie, że przy dobrej stratyfikacji zasobnik jest zawsze gorący na górze i zawsze zimny na dole (ilustracja, bufor 2-4), podczas gdy mieszany zasobnik jest ciepły od góry do dołu (ilustracja, bufor 1). Granica między ciepłem a zimnem powinna być jak najbardziej wyraźna. Im cylinder jest pełniejszy, tym granica ta jest niższa (obrazek, bufor 3), a im bardziej pusty, tym granica ta jest wyższa (obrazek, bufor 4).

Stany naładowania zbiorników buforowych

W każdym przypadku dobrze uwarstwiony zasobnik zawiera tak mało gorącej wody, jak to tylko możliwe.

Błędne przekonanie, któremu wielu wciąż ulega

Wielu naszych klientów stwierdziło, że dzięki zastosowaniu dwustrefowych zespołów rozładowczych rendeMIX 3×2 (dla jednego obiegu grzewczego) lub rendeMIX 3×4 (dla dwóch obiegów grzewczych) udało im się tak znacząco poprawić stratyfikację w zbiornikach buforowych, że ogólna wydajność systemów solarnych wyraźnie wzrosła, a operatorzy są bardzo zadowoleni. Inni stwierdzili, że dwustrefowy zespół ładowania rendeMIX 2×3 (z zasilaniem zwrotnym dla kotła na drewno lub kogeneracji) również przynosi im zauważalne korzyści. Niewielu jednak zdaje sobie sprawę, że to właśnie połączenie obu procesów, czyli jednoczesne zastosowanie dwustrefowego ładowania i dwustrefowego rozładowywania, jako pierwsze inspiruje zbiornik buforowy do osiągnięcia maksymalnej wydajności. Obchodzenie się bez jednego z nich tylko dlatego, że robi się drugie, jest po prostu zadowalaniem się znacznie gorszym rezultatem.

[swfobj src="http://www.baunach.net/wp-content/uploads/be_und_entladung_p01_v05.swf" width="700″ height="525″ align="left" allowfullscreen="true"]

Dlaczego połączenie obu metod jest tak skuteczne?

Obie metody koncentrują się przede wszystkim na słabym punkcie każdego cylindra, czyli gorącej wodzie o średniej temperaturze. Niestety, jest to spowodowane nieuniknionymi turbulencjami w cylindrze, których nigdy nie da się całkowicie uniknąć, nawet przy najbardziej wyrafinowanych rozwiązaniach wewnętrznych. Jednak systematyczne i priorytetowe wykorzystanie tej ciepłej, zmieszanej wody ostatecznie umożliwia "dynamiczne uporządkowanie" cylindra. Oznacza to, że stratyfikacja ulega poprawie, gdy ciepło jest transportowane przez cylinder. Założenie, że zasobnik buforowy jest najpierw ładowany przez źródło ciepła, a dopiero potem opróżniany przez odbiorców, jest nierealistyczne. W rzeczywistości oba procesy zawsze zachodzą mniej więcej jednocześnie.

Przykład 1

Jeśli kocioł na drewno o mocy 20 kW zasila system o mocy 20 kW za pośrednictwem bufora, zawartość ciepła w zasobniku pozostaje stała. Niemniej jednak jednoczesne ładowanie i rozładowywanie zasobnika metodą dwustrefową oznacza, że cała zmieszana gorąca woda jest usuwana, a rozwarstwienie zasobnika jest całkowicie odbudowywane.

Przykład 2

Jeśli pobór mocy wzrasta do ponad 20 kW, zasobnik buforowy jest powoli, ale skutecznie opróżniany, ponieważ brakująca moc jest pobierana z jego źródła ciepła.

Przykład 3

Jeśli pobór mocy spadnie poniżej 20 kW, zasobnik buforowy jest powoli, ale sukcesywnie napełniany, ponieważ nadwyżka mocy jest dodawana do jego rezerwy ciepła.

Wskazówka: dobre samopoczucie to połowa sukcesu

Na czym polega jakość pętli sterowania?

Czujnik na elektrociepłowni

Sterownik stale porównuje określoną wartość SET z zmierzoną wartością ACTUAL i wyznacza reakcję (zmienną manipulowaną) na podstawie różnicy (odchylenia), dążąc do tego, aby odchylenie między wartościami SET i ACTUAL było jak najmniejsze. Jeśli np. dla jednostki kogeneracyjnej wymagana jest stała temperatura powrotu 60°C, to jest to wartość SET, natomiast wartość ACTUAL jest określana przez czujnik temperatury. Możliwą reakcją byłby trzypunktowy sygnał, który za pośrednictwem napędu elektrycznego otwiera, zatrzymuje lub zamyka zawór mieszający, dzięki czemu temperatura powrotu zostaje podniesiona, utrzymana lub obniżona.

Kontrola zachowania poprzez czujnik

Przez jakość pętli sterowania rozumie się przede wszystkim to, jak dokładnie i jak szybko regulator zbliża wartość AKTUALNĄ do wartości TARGET, na przykład po nagłej zmianie wartości TARGET w czasie T. W idealnej sytuacji wartość AKTUALNA tylko raz nieznacznie przekracza cel, a następnie od tej strony zbliża się do wartości TARGET. Jeśli sterownik jest zbyt wolny, do osiągnięcia celu upływa zbyt dużo czasu. Jeśli kontroler jest zbyt szybki, to wychyla się kilka razy nad cel. Ponieważ w naszym przykładzie serwomotor jest również częścią pętli sterowania i tym samym wpływa na jej jakość, jego czas pracy powinien być prawidłowo ustawiony na sterowniku, jeśli taka opcja istnieje.

Co to jest martwy czas?

Duża odległość czujnika od mieszacza

Czas martwy układu sterowanego to czas, który upływa zanim efekt zmiany w regulatorze zostanie wykryty przez czujnik. Jeśli np. czujnik naszej wspomnianej wcześniej windy powrotnej znajduje się na wlocie powrotnym do elektrociepłowni, natomiast mieszacz został zainstalowany w odległości 5 m, to czas martwy jest co najmniej tak długi jak czas biegu (t), który woda musi przepłynąć na odległość (s) z prędkością (v) od mieszacza do czujnika.

t = s / v

v = Q / A = Q / ¼πDN²

Dla jednostki kogeneracyjnej o mocy cieplnej 12,5kW, która dostarcza 80°C na zasilaniu i odbiera 60°C na powrocie, delta-T wynosi 20K, a natężenie przepływu (Q) wynosi zatem 0,54m³/h. Wynikają z tego następujące prędkości przepływu (v) dla następujących średnic nominalnych oraz następujące czasy pracy (t) dla odcinka np. 5 m:

DN [mm]		v [m/s]	t [s]
15	½“	0,84	5,9
20	¾"	0,47	10,6
25	1″	0,30	16,5
32	1¼"	0,19	27,0

Przede wszystkim widać z tego, że znacznie przewymiarowany rozmiar nominalny prowadzi do znacznego wzrostu czasu martwego. A to z pewnością przeszkadza w uzyskaniu wysokiej jakości sterownika.

Dlaczego prawidłowa instalacja czujnika jest tak ważna?

Ponadto wiadomo, że odległość między czujnikiem a mieszaczem musi być jak najmniejsza, aby nie zwiększać niepotrzebnie czasu martwego. To sprawia, że lokalizacja czujnika jest pierwszym parametrem, który należy wziąć pod uwagę.

Mała odległość czujnika od mieszacza

Jednak wymiana ciepła z wody grzewczej do czujnika jest również przeszkodą mającą znaczenie w czasie: im lepsza wymiana ciepła, tym szybciej reaguje czujnik. Szczególnie często spotykane są czujniki kontaktowe montowane od zewnątrz na rurze, przez którą przepływa mierzona woda grzewcza. W grę wchodzą tu trzy główne czynniki:

Powierzchnia kontaktowa
Powierzchnia styku powinna być jak największa. Na przykład, jeśli sonda jest umieszczona wzdłuż rury falistej, tylko kilka małych punktów jest dostępnych dla wymiany ciepła.

Przy gładkiej rurze kontakt między czujnikiem a rurą nadal składa się z linii. Dopiero dzięki zastosowaniu pasty termicznej lub innego mostka termicznego linia ta staje się wymaganą powierzchnią styku, która gwarantuje szybkie odprowadzanie ciepła.

Czujnik bez pasty termicznej i czujnik z pastą termiczną

Przewodność cieplna materiałów przejściowych

Metale są najlepszymi przewodnikami ciepła w przeciwieństwie do tworzyw sztucznych, tlenków (rdzy) lub innych zanieczyszczeń. Dlatego rura powinna być wykonana z metalu i dokładnie oczyszczona przed montażem czujnika.

Nacisk kontaktowy

Napięcie siły naciągu powinno być trwale utrzymywane elastycznie, co należy uwzględnić przy doborze taśmy napinającej. Pod tym względem spiralny drut sprężynowy jest z pewnością lepszy od opaski kablowej, a opaska kablowa od taśmy klejącej.

Nacisk stykowy spowodowany przez taśmę napinającą

W każdym przypadku wymagana jest fachowa wiedza i staranność instalatora, aby uniknąć w tym miejscu niepotrzebnych błędów, które w najgorszym przypadku mogą pogorszyć jakość pętli regulacyjnej do tego stopnia, że na powrocie jednostki kogeneracyjnej wystąpią trwałe wahania temperatury.

Słaba wymiana ciepła prowadzi do dłuższego czasu martwego