Τεχνοοικονομική αξιολόγηση συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας σε λειτουργία

Abstract

Cogeneration is a well-known and widespread energy production technology. The cogeneration system recovers and utilizes the heat generated in various parts of a machine that generates electricity. This significantly reduces energy losses and increases the efficiency of the energy production process. The buildings of the tertiary sector and especially the hospitals present ideal conditions for the implementation of the system. However, despite the significant environmental and economic benefits offered by cogeneration, the levels of technology penetration in Greece remain very low. The scientific object of the thesis concerns the technical and economic evaluation of electricity and heat cogeneration systems (CHP) or electricity, heat and cooling cogeneration systems (CCHP), known as trigeneration systems, which are in operation. The thesis focused on the collection and analysis of actual operating data and afterwards on the evaluation of performance in relation to design data. At the same time, an attempt was made to investigate the causes that prevent the penetration of cogeneration in Greece, through the evaluation of existing projects. In the first part, a systematic method to evaluate the economic operating performance of existing combined heat and power (CHP) or combined cooling heat and power (CCHP) generation systems was developed. Two key performance indicators were selected to evaluate both the technical and the economic performance, based on operating recording data; the capacity factor and the capital recovery. The method was then applied to evaluate eight cogeneration projects operating in Athens with the purpose to reveal the current situation of CHP in Greece and identify reasons that are hindering its penetration. A sensitivity analysis was also performed to check the validity of the key assumptions and to verify the accuracy of the results. Interesting conclusions were reached from the analysis. Only two out of the eight projects managed to achieve the break-even point in less than four years since the beginning of their operation, while oversizing phenomena were noticed in many cases leading in extremely low capacity factors. Delay in capital recovery is ultimately the main reason that makes such an investment less attractive.In the second part, the evaluation of the techno-economic efficiency of a combined power, heat and cooling system (CCHP) system that has been installed in a hospital in Athens was presented. The aim was to verify performance standards and evaluate actual behavior, while highlighting the financial benefits. System performance was evaluated using real one-year field measurements. The data were used to calculate the recovered heat and the produced electricity. In addition, the real performance was modeled and compared to the manufacturer's specifications. The economic evaluation was carried out through energy cost analysis to verify the viability of the system, both for heating and cooling functions. The results showed that, overall, after eight years of operation, energy efficiency is still close to design standards. The electrical efficiency is constantly over 30%, while the thermal efficiency is about 40-45%. The overall efficiency is usually above the 75% limit that characterizes the system as fully CHP. The analysis also pointed out the economic efficiency of the system in the Greek energy market. The results verified the potential of a CCHP system to improve the energy and economic efficiency of a building.From the above analysis the main conclusion that emerged is that the size of the unit is vital to the success of the system. In addition, the operating schedule should be designed to maximize the capacity factor. Thus, the unit will be able to be used to its maximum potential ensuring high rates of return and the maximum possible return on capital, making the investment financially profitable.

Η Συμπαραγωγή ενέργειας αποτελεί μια τεχνολογία παραγωγής ενέργειας ευρέως γνωστή και διαδεδομένη. Το σύστημα συμπαραγωγής ανακτά και αξιοποιεί τη θερμότητα που παράγεται σε διάφορα μέρη μίας μηχανής που παράγει ηλεκτρισμό, επιτυγχάνοντας σημαντική μείωση των ενεργειακών απωλειών και αύξηση της απόδοσης της διεργασίας. Τα κτίρια του τριτογενή τομέα και ιδιαίτερα τα νοσοκομεία παρουσιάζουν ιδανικές συνθήκες για την εφαρμογή του συστήματος. Ωστόσο, παρά τα σημαντικά περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη που προσφέρει η συμπαραγωγή, στην Ελλάδα τα επίπεδα διείσδυσης της τεχνολογίας παραμένουν πολύ χαμηλά. Το επιστημονικό αντικείμενο της διατριβής αφορά στην τεχνικοοικονομική αξιολόγηση συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ/CHP), ή και ψύξης (ΣΗΘΨ/CCHP), γνωστά ως συστήματα τριπαραγωγής, τα οποία βρίσκονται σε λειτουργία. Η διατριβή επικεντρώθηκε στη συλλογή και την ανάλυση των πραγματικών δεδομένων λειτουργίας και κατόπιν στην αξιολόγηση της απόδοσης σε σχέση και με τα δεδομένα σχεδιασμού. Παράλληλα, επιχειρήθηκε η διερεύνηση των αιτίων που εμποδίζουν τη διείσδυση της συμπαραγωγής στην Ελλάδα μέσα από την αξιολόγηση των υφιστάμενων έργων. Στο πρώτο μέρος, διαμορφώθηκε μια συστηματική μέθοδος αξιολόγησης της οικονομικής λειτουργικής απόδοσης των υφιστάμενων συστημάτων συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (CHP) ή και ψύξης (CCHP), η οποία βασίζεται σε πραγματικά δεδομένα λειτουργίας. Για τον σκοπό αυτόν επιλέχθηκαν δύο βασικοί δείκτες απόδοσης για την αξιολόγηση τόσο της τεχνικής όσο και της οικονομικής απόδοσης, ο συντελεστής χρησιμοποίησης και η ανάκτηση κεφαλαίου. Η μέθοδος κατόπιν εφαρμόστηκε για την αξιολόγηση οκτώ έργων συμπαραγωγής που λειτουργούν στην Αθήνα. Τα αποτελέσματα αναλύθηκαν με σκοπό να αποκαλυφθεί η τρέχουσα κατάσταση της ΣΗΘ στην Ελλάδα. Πραγματοποιήθηκε, επίσης, ανάλυση ευαισθησίας προκειμένου να ελεγχθεί η εγκυρότητα των βασικών παραδοχών και να ελεγχθεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Από την ανάλυση προέκυψαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα. Μόνο δύο από τα οκτώ έργα κατάφεραν να επιτύχουν πλήρη ανάκτηση κεφαλαίου σε λιγότερο από τέσσερα χρόνια από την έναρξη της λειτουργίας τους, ενώ σε πολλές περιπτώσεις παρατηρήθηκαν φαινόμενα υπερδιαστασιολόγησης που οδηγούσαν σε εξαιρετικά χαμηλούς συντελεστές χρησιμοποίησης. Η καθυστέρηση στην ανάκτηση κεφαλαίου είναι τελικά και ο βασικότερος λόγος που καθιστά μια τέτοια επένδυση λιγότερο ελκυστική. Στο δεύτερο μέρος, παρουσιάστηκε η αξιολόγηση της τεχνοοικονομικής απόδοσης ενός συστήματος τριπαραγωγής ηλεκτρισμού, θερμότητας και ψύξης (CCHP) που έχει εγκατασταθεί σε ένα νοσοκομείο στην Αθήνα. Στόχος ήταν η επαλήθευση των προτύπων απόδοσης και η αξιολόγηση της πραγματικής συμπεριφοράς, ενώ επισημάνθηκαν και τα οικονομικά οφέλη. Η απόδοση του συστήματος αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας πραγματικές μετρήσεις πεδίου διάρκειας ενός έτους. Τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της ανακτημένης θερμότητας και της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, μοντελοποιήθηκε η απόδοση και συγκρίθηκε με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Η οικονομική αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε μέσω ανάλυσης κόστους ενέργειας για την επαλήθευση της βιωσιμότητας λειτουργίας του συστήματος, τόσο για την λειτουργία θέρμανσης όσο και ψύξης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, συνολικά, μετά από οκτώ χρόνια λειτουργίας, η ενεργειακή απόδοση εξακολουθεί να είναι κοντά στα πρότυπα σχεδιασμού. Η ηλεκτρική απόδοση είναι συνεχώς πάνω από 30%, ενώ η θερμική απόδοση περίπου 40-45%. Η συνολική απόδοση είναι συνήθως πάνω από το όριο του 75% που χαρακτηρίζει το σύστημα ως πλήρως συμπαραγωγικό. Η ανάλυση επισήμανε, επίσης, την οικονομική αποτελεσματικότητα του συστήματος στην ελληνική αγορά ενέργειας. Τα αποτελέσματα επαλήθευσαν τις δυνατότητες ενός συστήματος CCHP για τη βελτίωση της ενεργειακής και οικονομικής απόδοσης ενός κτιρίου.Από τις παραπάνω αναλύσεις προέκυψε το κύριο συμπέρασμα ότι το μέγεθος της μονάδας είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχία του συστήματος. Επιπλέον, το πρόγραμμα λειτουργίας θα πρέπει να σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιείται ο συντελεστής χρησιμοποίησης. Έτσι, η μονάδα θα μπορεί να χρησιμοποιείται στο μέγιστο των δυνατοτήτων της εξασφαλίζοντας υψηλούς βαθμούς απόδοσης καθώς και τη μέγιστη δυνατή ανάκτηση κεφαλαίου, καθιστώντας την επένδυση οικονομικά συμφέρουσα.