Abszorpciós folyadékhűtéshez felhasznált kapcsolt távhő versenyára

Az irodaházak, szórakoztató, kulturális és kereskedelmi központok, sportcentrumok, szállodák, sőt a lakások növekvő hűtési igényeinek kielégítése ma már nemcsak a – döntő mértékben villamosenergia-hajtású – hagyományos berendezésekkel oldható meg, hanem rendelkezésre állnak az eszközök nagyteljesítményű, meghajtó energiaként hőt hasznosító központi, illetve távhűtőrendszerek megvalósításához is.

Az egyre növekvő levegőhűtési piacon való megjelenés – a debreceni távhő példáját követve – a kapcsolt energiatermelést megvalósító távhőszakmának (a távhőtermelőknek és a távhőszolgáltatóknak egyaránt) elemi érdeke. A távhő hűtési célú hasznosításának ugyanis – a távhő piaci lehetőségeinek bővítése mellett – mind hőtermelői, mind hőszolgáltatói oldalon alapvető célja hasznos hőterhelés biztosítása a távhőrendszer nyári, kis kihasználású időszakára. Az ebben az időszakban jelenleg kizárólag használati melegvíz-szolgáltatásra szorítkozó hőtermelés/hőértékesítés növelése a rendszerek hőforrásainál az abszorpciós hűtőgépek hajtási hőigénye révén lehetővé tenné a szabad kogenerációs potenciál kihasználását, ami hozzájárulhatna a termelt hő egységköltségének csökkentéséhez, ezáltal az új szolgáltatás nemcsak új fogyasztók megszerzését, de a régiek megtartását is elősegíthetné.

Az épületek levegőhűtése – azaz a hőelvonás (Q0) alacsony hőmérsékleten – megoldható helyiségklímákkal (lakásklímákkal) vagy központi folyadékhűtőkkel (+központi légkezelőkkel vagy fan-coilokkal). Mivel a lakóépületek helyiségenkénti/lakásonkénti egyedi hűtőrendszereivel (pl. a split-klímákkal) az energetika jelenlegi közgazdasági környezetében a központi folyadékhűtőkre alapozott megoldások általában nem versenyképesek, levegőhűtés alatt a továbbiakban a különféle központi folyadékhűtő berendezésekre alapozott műszaki megoldásokat értjük.

A távhőnek ezen a hűtési piacon való megjelenése természetesen csak akkor lehetséges, ha versenyképes árat tud kínálni a központi hidegenergia-fogyasztók számára, akiknél a hűtőberendezések két alapvető csoportra oszthatók.

Az egyik nagy csoportot a villamos hajtású kompresszoros folyadékhűtők jelentik, amelyek között kompakt és turbókompresszoros gépek is találhatók. Energetikai hatékonyságuk az alábbi összefüggéssel jellemezhető:

A COP-faktor alacsonyabb értékei a kompakt berendezésekre jellemzők, a magasabb értékek a több MW egységteljesítményű turbókompresszoros gépekkel, hőleadói oldalon frissvíz- (pl. Duna-víz) hűtéssel kombinálva érhetők el.

A központi folyadékhűtők másik nagy csoportját a hőenergia-hajtású abszorpciós folyadékhűtők jelentik, amelyek energetikai hatékonysága

között alakul. Az alacsonyabb értékek a 90/70 oC névleges hőmérsékletlépcsőjű meleg vízzel, a nagyobb értékek a ~8 bar nyomású gőzzel „hajtott” berendezésekre jellemzők.

Mielőtt a melegvízhajtású abszorpciós központi hűtés versenyhelyzetét a villamos hajtású kompakt folyadékhűtéshez, mint versenytárshoz képest megvizsgálnánk, a teljesség igénye nélkül megemlítünk néhány a távhővel szemben támasztott követelményt, a távhő termelőjére és szolgáltatójára gyakorolt hatást, felmerülő problémát, illetve áttekintjük a potenciális hűtési fogyasztók hidegenergia-igényének legfontosabb jellemzőit.

Távhővel hajtott abszorpciós központi hűtés megvalósítása esetén alapvető üzemviteli igényként jelentkezik a primer távhőrendszer nyári hőmérsékletszintjének 90/70 oC-ra emelése, aminek következtében a primer hálózaton (vagy legalábbis annak egy részén) megnövekszik a hőveszteség.

A hőtermelő szempontjából

• a többlet nyári hőszolgáltatás (többlet hasznos hőmennyiség + többlet hőveszteség) javít(hat)ja a hőtermelő gép terhelési viszonyait és – elsősorban a kötelező átvétel hatálya alá tartozó kogenerátoroknál – növel(het)i a kapcsoltan termelt villamos energia mennyiségét,

• amíg nincs minden gerincvezeték-ágon hűtési fogyasztó, felmerülhet az ágankénti eltérő primer előremenő hőmérsékletű hőkiadás lehetősége, kérdéses, hogy ez az adott hőforrásnál megoldható-e, illetve érdemes-e megoldani,

• kérdéses továbbá, hogy az esetlegesen módosuló nyári keringtetési igény megoldható-e a meglévő szivattyúkkal,

a hőszolgáltató szemszögéből (visszahatással a hőtermelőre)

• a távvezetéki hálózaton alapvető igény a többlet hőveszteség mérséklése (a már említett ágankénti eltérő primer mentrenddel vagy egyéb megoldásokkal, pl. a hűtőgép lehűlt primer vizének az előremenő ágba történő visszavezetésével stb.),

• számolni kell a hőközpontok reagálásával az emelt primer menetrendre (változó tömegáramú hőközpontok vízáram-csökkenésével, illetve az állandó tömegáramú hőközpontok visszatérő hőmérsékletének emelkedésével vagy átszabályozásával).

A hidegenergia-fogyasztókat hét tipikus kategóriába sorolva vizsgáltuk. Az ezekre jellemző csúcskihasználási időtartamokat az 1. ábra, az egyes típusfogyasztók hűtőteljesítmény-igényének szezonális, illetve havi lefutását a 2-3. ábrák, hidegenergia-igényiek alakulását pedig – ugyancsak szezonális, illetve havi bontásban – a 4-5. ábrák szemléltetik.

Az ábrák alapján megállapítható, hogy nem egy fogyasztói típusnál (pl. plázáknál, multifunkcionális épületeknél – az ábrákon esetenként „színház” elnevezéssel szerepel -, szállodáknál) számottevő hűtési igény jelentkezik az október 15. és április 15. közötti (fűtési) időszakban is, amikor a kapcsolt energiatermelő berendezések nem (vagy csak korlátozott mértékben) rendelkeznek ki nem használt kapacitással.

1. ábra

2. ábra

3. ábra

4. ábra

5. ábra

Ebből következően a fűtési időszakbeli hidegenergia-igényeket – legalábbis tisztán abszorpciós központi hűtés létesítése esetén – közvetlen hőtermelésből származó távhővel kell(ene) fedezni. Mivel pedig ez, amint azt a későbbiekből egyértelműen látni fogjuk, nyilvánvalóan csak versenyképtelen áron lenne megvalósítható, a fűtési időszakbeli hűtési igények ellátását – a természetes hűtésben rejlő lehetőségek kihasználása mellett – kompakt folyadékhűtéssel célszerű megoldani. Ilyen – vegyes – hűtőközpont létesítése nyáron azzal az előnnyel is járhat, hogy a kompakt berendezés szükség esetén (pl. a legnagyobb csúcsok fedezésére) üzembe vehető.

A központi folyadékhűtő berendezések szemléletesen leegyszerűsítve az 1. táblázatban összefoglalt sajátosságokkal jellemezhetők.

1. táblázat

Élettartam és fajlagos karbantartási igény szempontjából tehát az abszorpciós, fajlagos beruházási költség tekintetében pedig a kompresszoros gépek a kedvezőbbek.

A hűtőközpontok fajlagos beruházási költségét a hűtőteljesítmény függvényében a 6. ábrán szemléltetjük.

6. ábra

A beruházási költségek a folyadékhűtők, a szabályozó elektronika, az installáció és – abszorpciós megoldásnál – a nedves hűtőtorony és a hőfogadó invesztíciós igényét tartalmazzák, a szükséges tervezési és tartalék költségekkel együtt (a költségek nem tartalmazzák a fogyasztói oldali beruházás igényét, mivel az független a hűtőközpont kialakításától).

Látható, hogy a kétféle megoldás fajlagos beruházási költsége 500 kW installált egységteljesítmény alatt jelentősen eltér, ennél kisebb egységek (30-250 kW) létesítése esetén a kompakt gépek a beruházási költség tekintetében rendre 7-3-szoros árelőnnyel rendelkeznek, amely csak 1000 kW egységnagyságtól kezdődően mérséklődik 2 körüli értékre.

Az előzőkben bemutatott hétféle fogyasztótípus mindegyikére – rendre 500, 1000, illetve 3000 kW maximális hűtőteljesítmény-igény feltételezésével – számításokat végeztünk annak meghatározására, hogy milyen hajtóenergia-ár (azaz távhőár) mellett lehet versenyképes az abszorpciós technológiájú központi folyadékhűtés a hagyományos, villamos hajtású kompakt hűtőközpontokkal, azaz, milyen távhőár mellett lesz egyenlő a hűtőközpontból kilépő hűtött víz előállításának egységköltsége a két technológia mellett.

A termelt hidegenergia egységköltségének meghatározásánál a tőke terhét annuitásos módszerrel kalkuláltuk (a berendezésre jellemző élettartam és 8% kamatláb mellett). Ezen túlmenően az 1. táblázatban megadott fajlagos értékkel figyelembe vettük a karbantartási költséget, a villamosenergia-költséget (középfeszültség, teljesítménydíjas II. díjszabással), az üzemeltetéshez szükséges bérköltséget, valamint – abszorpciós megoldásnál – a távhő- és a víz-csatorna költséget, kompakt gép esetében pedig a géptörés-biztosítás költségét (a gép árának 1%-ával).

7. ábra

8. ábra

A fajlagos hidegenergia-költségek alakulását a távhőár, mint hajtóenergia függvényében – példaként kiragadva egy nagyobb teljesítményű és nagy kihasználású, illetve egy kisebb teljesítményű és kis kihasználású típusfogyasztót – a 7-8. ábrák mutatják be.

Az összes típusfogyasztóra és az említett háromféle teljesítményre elvégzett, hasonló ábrákkal illusztrálható számítások alapján a távhő versenyképességhez szükséges határárának alakulása összefoglalóan a 9. ábrán látható.

9. ábra

Az elvégzett energetikai-gazdaságossági vizsgálatok 7-9. ábrákon szemléltetett eredményei alapján összefoglalóan az alábbi főbb megállapítások tehetők:

• a távhő lehetséges határára annál kedvezőbb (azaz annál magasabb), minél nagyobb a kielégítendő hűtőteljesítmény-igény, illetve minél kisebb ingadozásokkal és minél inkább a fűtési idényen kívüli hónapokra koncentrálódik a hidegenergia-igény;

• a nagyobb hűtőteljesítmény-igényekhez a tiszta abszorpciós hűtőközpontokéval csaknem megegyező határhőár mellett létesíthetők vegyes felépítésű hűtőközpontok, amelyekkel a fűtési időszakbeli hűtési célú távhőigény mérsékelhető, így az akkor csak igen korlátosan rendelkezésre álló (vagy egyáltalán nem lévő) szabad kogenerációs kapacitás helyett – a hűtési igények ellátásához nyilvánvalóan csak gazdaságtalanul – igénybe vehető forróvízkazános hőtermelés minimalizálható;

• a hidegenergia-igények nagy kihasználása főként akkor jelent előnyt, ha az igények havi lefutása kevésbé „csúcsos” (pláza vagy multifunkcionális épület kontra szálloda), mert ekkor kihasználható a villamos teljesítmény-gazdálkodás lehetősége;

• 500 kW hűtőteljesítmény–igény esetén pozitív határhőár gyakorlatilag csak a legnagyobb kihasználású és „simább” lefutású fogyasztótípusok esetén érhető el, de ezeknél is csak akkor, ha a hűtőközpont egyetlen egységből áll(na), aminek az életszerűsége erősen vitatható;

• 1000 kW hűtési kapacitásigény esetén – a reálisan figyelembe vehető hűtőközpont-felépítésektől, illetve a fogyasztótípustól függően – a távhő határárára 230-750 Ft/GJ, 3000 kW kapacitású hűtőközpont létesítésekor pedig 520-990 Ft/GJ között alakul.

Megjegyzendő, hogy az abszorpciós vagy vegyes abszorpciós/kompakt folyadékhűtő berendezésekből felépített hűtőközpontok alkalmazásához általában mind a fogyasztóknál, mind a hőszállító-elosztó és a hőtermelő rendszerekben technológiai és üzemviteli átalakítások válhatnak szükségessé, amelyeket egyedileg kell megvizsgálni. Ezek esetleges invesztíciójának többletigénye a fenti, minősítő modellszámítás alapján meghatározott határhőárakat módosíthatja.

A továbbiakban azt elemezzük, hogy reálisan elérhető-e az előzőkben meghatározott, relatíve alacsony határhőár?

A vizsgálatban nem választjuk szét a távhőtermelőt és a távhőszolgáltatót, hiszen az alapvető érdekeik a hűtési piac megszerzésében – legalábbis elvileg – közösek, hanem megpróbáljuk körvonalazni azt a „tortát”, amelyen racionális piaci szereplők a kölcsönös egymásrautaltság bázisán osztozhatnak.

A számításokhoz bevezetjük a növekmény energetikai árrés fogalmát:

[Ft/év]

ahol
E: a hűtésnek köszönhető többlet villamosenergia-értékesítés (kWh/év)
Qh: a hűtésnek köszönhető többlet hőértékesítés hidegenergiára (GJ/év)
Qhv: a hűtés miatti többlet hőértékesítés hőveszteségre (GJ/év)
G: a többlet földgázfelhasználás (GJ/év)
pE: az értékesített villamos energia átlagára (Ft/kWh)
pQhh: az értékesített hő határhőára (Ft/GJ)
r: a határhőárat csökkentő faktor (%)
pG: a vásárolt földgáz gázdíja (Ft/GJ)
k: a termelt villamos energiára vetített fajlagos karbantartási költség (Ft/kWh)
ö: a villamos önfogyasztás (%)

Az energetikai árrés összefüggéséből – az energetikai paraméterek (E, Qh, Qhv, G) meghatározását és az ismert (vagy jól becsülhető) fajlagos értékek (ö, k, pG, pQhh) behelyettesítését követően – kifejezhető, illetve meghatározható az az átlagos pE villamosenergia-ár, amelynél DEÁ=0 feltétel bekövetkezik. Ebből pedig a távhő termelője és szolgáltatója minden bizonnyal levonhatja a szükséges következtetéseket a határhőár realitását illetően.

A továbbiakban külön kellett választanunk a gázmotoros és a nagyerőművi hőtermelés értékelését, mivel azoknál számos, a végeredményt jelentősen befolyásoló paraméter nagymértékben különbözik (pl. s, h, k, ö, kötelező átvétel, illetve HTM – A villamos energia értékesítésére vonatkozó hosszútávú megállapodások, amelyek tartalma (és a HTM-ok keretében értékesített villamos energia ára) nem ismeretes – stb.).

A gázmotoros hőtermelőkre vonatkozó számításokat, illetve megállapításokat a Füredi úti távhőrendszer konkrét példájára alapoztuk (lásd 10-17. ábrák).

10. ábra

11. ábra

12. ábra

13. ábra

14. ábra

15. ábra

16. ábra

17. ábra

Amint az a 10-13. ábrákból is látható, a Füredi úton jelenleg a fűtési időszakon kívül a gázmotorok jelentős mértékű (3 x 6 MWe) kényszerhűtéssel üzemelnek, sőt a – KÁP-pal kiegészített átvételi ár realizálásához minimálisan szükséges – havi 65% hatásfok tartása érdekében számottevő, pillanatnyilag kihasznál(hat)atlan kapacitással is rendelkeznek. Ezt a helyzetet gyökeresen megváltoztathatja a hűtési igények és (az ezzel együttjáró, de relatíve szerény mértékű) többlet hőveszteségek megjelenése. A 14-17. ábrák szerint a többlet kapcsolt villamosenergia-termelés ~3-5 MW hűtőteljesítmény-igény megjelenéséig növelhető (ekkor már valamennyi motor teljes terheléssel járatható a 65% havi hatásfokra tekintettel is), míg ~5-6 MW hűtőteljesítmény-igény felett a többlet kapcsolt hőtermelés a meglévő motorokat gyakorlatilag kiterheli, azaz ennél nagyobb hűtési igények megjelenése már újabb gázmotor beépítését alapozhatná meg.

Számításaink során azt határoztuk meg, hogy a különböző fogyasztótípusokra a korábbiakban meghatározott határhőár (kereskedelmileg is reális) 90%-ának eléréséhez minimálisan mekkora villamosenergia-értékesítési átlagár szükséges ahhoz, hogy a növekmény energetikai árrés éppen 0 legyen.

A DEÁ=0 feltétel – a fogyasztó jellegétől (csúcskihasználásától) és az igényelt hűtőteljesítmény nagyságától függően – 13,70-17,90 Ft/kWh átlagos villamosenergia-árnál következik be, amelynek értékeléséhez tudni kell, hogy a ma üzemelő gázmotorokra a kötelező átvételi ár tisztán völgyidőszakban 19,97 Ft/kWh, a teljes heti időalapok átlagában (mélyvölgy nélkül) 25,19 Ft/kWh, a feltételezett 14 h/nap időtartamú hűtési üzem mellett érvényes időalapok átlagában pedig 27,79 Ft/kWh.

Tekintettel arra, hogy az egyéb fővárosi (és hazai) távhőrendszerekben üzemelő gázmotorok energetikai hatékonysági paraméterei, illetve nyári kiterhelési viszonyai meglehetősen hasonlók, a Füredi úti konkrét esetre vonatkozó számítás alapján adódó következtetések gyakorlatilag ezekre is adaptálhatók, így a gázmotoros termelésre elvégzett vizsgálat alapján – legalábbis a kötelező átvételi rendelet jelenlegi feltételei mellett – joggal jelenthető ki, hogy a gázmotoros hőkörzetekben a kompresszoros folyadékhűtéssel versenyképes abszorpciós hűtés megvalósításához szükséges határhőár – a két piaci szereplő racionális magatartása esetén – reálisan, kölcsönös előnyök mentén is elérhető.

A nagyerőművi termelő – a modellvizsgálatban a BE Zrt. – hőforrásaival kapcsolatos vizsgálatunkat a becslés szintjére helyezi az a tény, hogy – noha a technológia fő paraméterei ismertek – a villamosenergia-értékesítés feltételei nem publikusak. A BE Zrt. tájékoztatása szerint a teljesítménydíjas szerződéssel rendelkező Újpesti és Kispesti Erőműből csak adott mennyiségű villamos energia értékesíthető, a Kelenföldi Erőmű új gépegysége azonban a kötelező átvétel hatálya alá esik.

Az energetikai hatékonysági jellemzők feltételezésével számításainkat elvégeztük mind kizárólag gőzturbinás, mind kombinált ciklusú üzemmód mellett is, azt az alaptételt rögzítve, hogy hűtési igények ellátását célzó többlet hőmennyiséget az erőművek csak április 1. és október 31. között adnak ki, azaz csak akkor, amikor a vizsgált hűtési igény (5-15 MW) nagyságrendjében szabad kogenerációs kapacitással rendelkeznek.

A számítások azt mutatják, hogy a nagyobb energetikai hatékonyságú kombinált ciklusú üzem, illetve a nagyobb arányú kényszerhűtés-csökkenés (a kényszerhűtés csökkentéséből értékesített hő aránya – ez nem jár többlet villamosenergia-értékesítéssel, de nincs többlet tüzelőanyag- és -karbantartás igénye sem) egyaránt jelentősen mérsékeli a DEÁ=0 feltételhez tartozó villamosenergia-értékesítési árat, amelyre KC üzemmódban 11,60-14,90 Ft/kWh értékeket kalkuláltunk, míg gőzturbinás üzem esetén 14,80-22,20 Ft/kWh adódott. Valóságos viszonyok között nyilván az üzemállapotok valamilyen „mixe” alapján számíthatók ki a villamosenergia-határárak.

A nagyerőművi termelésre elvégzett vizsgálat alapján, némi óvatossággal, az alábbi következtetések vonhatók le:

– amennyiben a HTM értelmében az adott erőmű villamosenergia-értékesítése egyáltalán nem növelhető a jelenlegi üzemhez képest, a hűtési igények ellátása versenyképes áron gyakorlatilag csak a jelenlegi kényszerhűtés mértékéig terjedhet,

– amennyiben a villamosenergia-értékesítés növelhető, a valószínűsíthető energiamix alapján nem zárható ki az abszorpciós hűtésre vonatkozó – a két piaci szereplő kölcsönös érdekeinek bázisán nyugvó – versenyképes ajánlat lehetősége.