INŽ.BLOG

Električni kotli v industriji: eksergijski nesmisel v imenu razogljičenja

V prizadevanju za izpolnjevanje evropskih in svetovnih in okoljskih ciljev številna velika podjetja sprejemajo energetske odločitve, ki so pogosto sprejete brez poglobljenega razumevanja termodinamičnih zakonitosti. V tem prispevku se bom omejil izključno, kot strojnik-energetik, na termodinamiko posameznih energetskih pristopov in se ne bom spuščal na področje elektrotehnike, ki mi je blizu zgolj in samo v grobem fundamentalnem poznavanju.
V zadnjem obdobju se v energetsko intenzivnih industrijah dogajajo investicijski cikli, ki v številnih primerih vodijo v tehnično in termodinamično nelogične rešitve. V praksi se je oblikovalo poenostavljeno stališče, da je prehod iz plinskih in drugih fosilnih energentov na elektriko sam po sebi izraz »zelenega« prehoda. Tak pogled je, kot bomo prikazali, termodinamično nepravilen in pogosto vodi v neoptimalne rešitve. Zeleno deluje seveda samo navidezno in je omejeno s parcelno mejo posameznega energetskega postrojenja. Torej ogljični odtis se premakne od uporabnika k dobavitelju energije. Kot bomo v nadaljevanju prikazali se skupni ogljični odtis, po podatkih Agencije za energijo^[2], s tem močno poveča! Uporaba virov električne energije za gretje je seveda smiselno pri uporabi manjših, predvsem dislociranih grelnih enot – bojlerjev ter morda tudi manjših električnih generatorjev toplote, kar končno naznanja tudi dopolnjen/spremenjen pravilnik o učinkoviti rabi energije PURES, v svoji zadnji izdaji Ur.l.103/24 se je črtal 17. člen, ki je prepovedoval uporabo električnih grelnikov z močjo nad 2kW ter prostornino nad 15L in dopolnjenemu 10. členu istega pravilnika, ki sedaj eksplicitno ne prepoveduje uporabe električnih generatorjev za PTV in gretja objektov, omejitev predstavlja samo doseganje predpisane energijske učinkovitosti – https://www.izs.si/aktualno/novice/objavljen-pravilnik-o-spremembi-pravilnika-o-ucinkoviti-rabi-energije-v-stavbah. ^[1] Kljub večkratnim opozorilom s strani IZS MSS, že od nastanka PURES 3 leta 2022, nam je ministrstvo MNVP na koncu le prisluhnilo in še to verjetno pod pritiskom t.i. ''bojlerskega fiaska''.
Pomembnost tega prispevka pa ni v manjših električnih grelnikih vode, temveč v velikih, več MW električnih sistemih za pripravo energetskih in tehnoloških medijev – vode ali pare, ki se je v zadnjem obdobju pojavil v Sloveniji, podobnemu pristopu pa sledijo tudi ponekod po svetu. 
V čem je problematika uporabe električne energije za gretje objektov in celo za pripravo energentov z visoko eksergijsko vrednostjo. Ključni problem je v razumevanju fundamentalnih termodinamičnih zakonitosti, ki govorijo, kako v največji meri izkoristiti gorivo, ki nam je na voljo. 
Osnovni pogled, zakaj je plin kot energent bistveno primernejši za pripravo energetskih/tehnoloških medijev kot električna energija:
Da bi preverili tehnično utemeljenost različnih energetskih pristopov, bomo sistematično primerjali tri izmed njih, ki se danes pojavljajo v industrijski praksi.

·           Električni parni kotel,

·           Plinski parni kotel,

·           Kogeneracijski sistem (plinska turbina + utilizator HRSG)

Za osnovno primerjavo bomo uporabili enačbo za eksergijski tok:

Kjer je:

E – eksergija (del energije, ki predstavlja potencial mehanskega dela),

Q – Skupna toplota,

T₀ – temperatura okolice,

T – Temperatura vira toplote.

1.     Izhodišča

Za primerjavo vzamemo, da potrebujemo 1MWh pare 6bar(n) ≈165°C uporabljeno kot industrijska para v procesih.

Predpostavimo:

-           Temperatura okolice: 20°C = 293K

-           Temperatura vira toplote – pare: 165°C = 438K

Delež eksergije pri gornjih pogojih:

 Torej 1MWh toplote pri 165°C vsebuje le približno 0,331MWh eksergije.

2.     Električni parni kotel

Za 1MWh toplote pri 165°C

·           Iz električnega kotla 1MWh_el → 1MWh_topl

·        Da dobimo 1MWh_el, potrebujemo dovedeno energijo (izkoristek celotnega elektroenergetskega sistema ocenjujem na 40%, kar ustreza faktorju primarne energije f_{p_el}=2,5:

Za 1MWh električne energije, potrebujemo Q_dov=2,5MWh – tudi primarna energija.

Delež eksergije:

Na izhodu iz parnega kotla dobimo

Delež eksergije celotne verige

Sistem je energijsko učinkovit, vendar eksergijsko izjemno potraten, saj iz 2,5 MWh primarne energije dobimo le 0,331 MWh eksergije. Eksergijski izkoristek je tako le 13,2 %, kar pomeni, da uničimo 87% kakovostne energije.

Izpusti CO₂

Emisijski faktor CO₂ za električno energijo je f_{CO2_el} = 420 kg*CO₂/MWh ^[2]
Iz električnega kotla  1MWh_el → Q_topl = 1MWh_topl

3.     Plinski parni kotel

Za 1MWh toplote pri 165°C, predpostavimo η_kotla ≈ 0,9 

Količina primarne energije – primarni faktor za plin f_{p_plin}=1,1 ^[2]:

 MWh

Delež eksergije:

Na izhodu iz parnega kotla dobimo:

Delež eksergije celotne verige:

Izpusti CO₂

Emisijski faktor CO₂ za plin je f_{CO2_CH4} = 199 kg*CO₂/MWh ^[2]

4.     Sočasna proizvodnja SPTE (plinska turbina+utilizator - para)

V tem primeru dobimo iz istega goriva električno in toplotno energijo in zato gorivo izkoristimo v največji možni meri:

Za 1MWh toplote pri 165°C, po naslednjih predpostavkah dobimo:

• ·     Izkoristek plinske turbine  _el
• ·     Delež toplotne energije  50%  0,5MWh_topl
• ·     Celotne izgube 15%  0,15MWh

Skupni izkoristek znaša:

Na izhodu iz SPTE sistema dobimo eksergijo:

·      Električna energija  _el ≈ 100% eksergija

·      Toplota pri 165°C  

·      Skupna eksergija  

Delež eksergije celotne verige SPTE:

Izpusti CO₂

·      Električna energija  _el → Predpostavimo, da ta energija predstavlja nadomestek iz električnega omrežja.

Prihranek  CO₂ zaradi el. dela:

Emisije zaradi proizvodnje toplotne in električne energije:

Skupne emisije:

Na podlagi izvedenega eksergijskega in emisijskega prikaza za tri sisteme lahko z gotovostjo trdimo, da uporaba električne energije za pripravo pare ali nizkotemperaturnih energetskih medijev v industriji ni tehnično utemeljena. Kljub temu, da je električni kotel lokalno »učinkovit« in brez emisij na izpustu, celoten sistem degradira energijo najvišje kakovosti v nizko temperaturno toploto in pri tem dosega zgolj približno 13 % eksergijskega izkoristka, upoštevajoč predpostavljene vhodne podatke.
V primerjavi z električnim sistemom plinski kotli, kljub nižjemu energijskemu izkoristku, ohranijo dvakrat več eksergije. Še boljšo sliko pokaže soproizvodnja toplote in elektrike, kjer je eksergijski izkoristek skoraj štirikrat višji kot pri električnem kotlu.
Z vidika termodinamike je zato usmeritev v uporovne električne sisteme za pripravo energetskih medijev mogoče razumeti le kot posledico administrativne obravnave električne energije kot “čistega energenta”, nikakor pa ne kot tehnično in energetsko optimalno rešitev.
Rešitve, ki ignorirajo 2. zakon termodinamike, niso ne trajnostne ne učinkovite – so zgolj začasno politično všečne.
Če smo resni glede energetske učinkovitosti, mora biti eksergija ponovno kriterij – tako kot jo je pred mnogimi leti opredelil prof. Zoran Rant.
Poleg naštetega pa električni parni kotli, na podlagi uradnih podatkov Agencije za energijo, predstavljajo visoko okoljsko obremenitev z emisijami CO₂, le-te so več kot osemkratnik emisij iz SPTE in skoraj dvakratnik emisij iz plinskih kotlov.
Kaj pa lahko v prihodnjih letih pričakujemo ob uveljavitvi zahtev EPBD (EU) 2024/1275? Sedmi člen določa, da morajo biti vsi javni objekti od 1. 1. 2028 in vsi ostali objekti od 1. 1. 2030 opredeljeni kot stavbe brez emisij – zero-emission buildings (ZEB). To pomeni, da bodo morale biti stavbe zasnovane kot skoraj pasivne, z zelo nizko rabo energije ter s pretežno uporabo obnovljivih virov.

Zato je vprašanje za Ministrstvo za naravne vire in prostor (MNVP):
Ali bomo k tem zahtevam pristopili ponovno na način, kot pri uvajanju urne metode izračunavanja rabe energije, ko so bila strokovna priporočila MSS prezrta?
In končno: kako pristopiti k razogljičenju industrije tako, da bo skladno z zakonodajo, a hkrati tehnično, energetsko in termodinamično smiselno?
Na ta vprašanja bomo – kot kaže – še dolgo čakali odgovore.

Damjan Zajc, PI, mag.inž.str.

[1] https://www.izs.si/aktualno/novice/objavljen-pravilnik-o-spremembi-pravilnika-o-ucinkoviti-rabi-energije-v-stavbah 

[2] Agencija za energijo: Ur.l. 123/22; AKT o določitvi metodologije za izračunavanje faktorjev primarne energije, izpustov ogljikovega dioksida in učinkovitosti za sisteme daljinskega ogrevanja in hlajenja ter vsebini in obliki zbirnega pregleda načrtovanih ukrepov in povezanih podatkov; https://www.agen-rs.si/trajnostni-kazalniki