Štúrovo – účinné CZT s využívaním geotermálné vody a KVET
Podmienkou rozvoja CZT v nasledujúcom období bude dosahovanie kritérií stanovených pre „účinné CZT“. Teplárenské spoločnosti preto hľadajú vhodné variantné riešenia. V tomto príspevku ide o pohľad projektanta na konkrétny príklad kombinácie využitia geotermálnej vody a KVET.
Téma článku
Pojem „účinné centralizované zásobovanie teplom“, definovaný v zákone č. 657/2004 Z.z. o tepelnej energetike v znení neskorších predpisov, dostáva v poslednom období konečne významnejší rozmer. Implementácia Smernice európskeho parlamentu a rady EÚ o podpore využívania energie z OZ do legislatívy SR dochádza ku zmene v postavení výrobcov a dodávateľov tepla z CZT voči odberateľom. Podmienkou rozvoja centralizovaného zásobovania teplom v nasledujúcom období bude dosahovanie kritérií stanovených pre účinné CZT. Zodpovedné teplárenské spoločnosti preto hľadajú vhodné variantné riešenia (technické a finančné) pre dosiahnutie uvedeného cieľa.
V tomto príspevku ide o pohľad projektanta na konkrétny príklad hľadania a prípravy riešenia pre dosiahnutie parametrov účinného CZT v našich podmienkach.
1. Úvod
Celý proces začal vypracovaním odbornej štúdie – koncepcie rozvoja CZT v meste Štúrovo.
Zadanie investora znelo:
- dosiahnuť parametre pre účinné CZT;
- využívať miestne dostupné OZE;
- znížiť spotrebu fosílneho paliva v jestvujúcom CTZ oproti súčasnosti;
- znížiť množstvo emisií CO2 a TZL vypúšťaných do ovzdušia z jestvujúceho CTZ.
1.1 Východiskový stav
Sústava CZT v meste Štúrovo je napojená na centrálny tepelný zdroj (CTZ) – kotolňa v samostatne stojacom objekte, vybavená 3 horúcovodnými kotlami s horákmi na spaľovanie zemného plynu, centrálnym rekuperátorom tepla zo spalín, 2 kogeneračnými jednotkami pre VÚ KVET (vyvedenie elektrického výkonu do RDS), tepelnými čerpadlami pre využívanie odpadového tepla z KGJ a špičkovým kondenzačným kotlom.
Primárne HV rozvody sú následne vedené do sídliskových (okrskových) odovzdávacích staníc tepla (OST), ktoré sú vybudované ako tlakovo nezávislé. Z nich sú následne vedené sekundárne rozvody vykurovania, teplej (úžitkovej) vody (TV) a cirkulácie TV do jednotlivých zásobovaných objektov.
1.2 Súčasná bilancia výroby tepla
Pre vzorový rok (priemer za roky 2016, 2017, 2018) platí:
- celkovo vyrobené množstvo tepla v CTZ .................................... 23 700 MWh;
- z toho teplo vyrobené v rámci VÚ KVET ....................................... 7 400 MWh (31 %);
- z toho teplo vyrobené v plynových kotloch a rekuperátore ....... 16 300 MWh (69 %).
Graf 01: Ročná výroba tepla po mesiacoch (MWh) – vzorový rok
Súčasná výroba tepla v rámci VÚ KVET je pre investora efektívna, pokrýva takmer celú letnú potrebu tepla (mimo vykurovacieho obdobia). Zo súčasného stavu vyplývajú 2 zásadné podmienky pre akéhokoľvek technické riešenie na splnenie zadania investora:
- je potrebné hľadať efektívny „zelený“ zdroj tepla predovšetkým pre zimnú prevádzku;
- využívaním OZE a KVET je potrebné zabezpečiť výrobu tepla min. 5 000 MWh/rok.
2. Posudzované variantné riešenia
V rámci štúdie boli vypracované a posudzované celkom 4 variantné riešenia:
- Variant A – využívanie GTVo z jestvujúcich vrtov v areáli Vadaš v navrhovanom tepelnom zdroji (TZ-OZE), teplovodné potrubné prepojenie s jestvujúcou sústavou CZT (cca 1,45 km);
- Variant B – využívanie GTVo z jestvujúcich vrtov v areáli Vadaš v jestvujúcom CTZ, prepojenie GTVo potrubím z areálu Vadaš do CTZ (2,25 km);
- Variant C – vybudovanie nového GT vrtu v blízkosti CTZ, využívanie GTVo priamo v CTZ;
- Variant D – zvýšenie výroby tepla v rámci KVET v CTZ, využívanie OZE v menšom rozsahu.
2.1 Výber variantného riešenia
Štúdia vypracovaná v koordinácii s energetickým auditom bola podrobená posudzovaniu jednak odbornými zástupcami investora (Enerbyt), jednak zástupcami mesta Štúrovo a Termálneho kúpaliska Vadaš, o.i taktiež využitím analýzy SWOT.
Postupovalo sa selektívne, postupným vyraďovaním jednotlivých variantov. Tu uvádzame iba najvýznamnejšie faktory, ktoré rozhodli o vyradení toho ktorého variantu:
- Variant D – minimálny podiel OZE, nedôjde ku zníženiu spotreby fosílneho paliva ani ku zníženiu emisií CO2 a TZL v CTZ, nejasné podmienky podpory KVET;
- Variant C – nemožno garantovať parametre nového GT vrtu (výdatnosť, teplota), riziko ovplyvnenia jestvujúcich vrtov v areáli Vadaš (zníženie výdatnosti);
- Variant B – nie je skúsenosť s distribúciou GTVo na veľké vzdialenosti, nutnosť vypúšťania využitej GTVo do recipientu (Dunaj – nové povolenie).
2.2 Výhody vybraného variantu
Pre výber riešenia podľa variantu A rozhodli hlavne nasledujúce najpodstatnejšie dôvody:
- overené parametre jestvujúcich GT vrtov v areáli Vadaš
(teplota 35 až 38 °C, prietok do 90 l/sek, v návrhoch max. 60 l/sek - uvažovaný pokles); - synergia vo využívaní GTVo pre potrebu areálu Vadaš a pre energetické účely
(v zimnom období k dispozícii min. 20 l/sek bez obmedzenia potreby Vadaš); - možnosť využívania súčasného odvedenia využitej GTVo
(vychladzovacie jazero v areáli Vadaš, následne rieka Hron); - možnosť pripojenia nových odberných miest na navrhované teplovodné prepojenie
(rozšírenie sústavy CZT – škola, materská škola, súčasný TZ Vadaš).
3. Navrhovaný tepelný zdroj „TZ-OZE“
Podľa zvoleného variantu A bude potrebné vybudovať nový tepelný zdroj (TZ-OZE), ktorý bude ako samostatne stojaca budova situovaný v blízkosti termálneho kúpaliska Vadaš.
Pripojenie na technickú infraštruktúru bude prevažne z areálu Vadaš (geotermálna voda – prívod a odvod, pitná voda, kanalizácia), resp. dostupnej infraštruktúry v blízkosti stavby (elektrina, zemný plyn).
Objekt je riešený rozmerovo pre inštaláciu navrhovaných zariadení a potrubných prepojení pre 1. etapu realizácie, s priestorovou rezervou pre rozšírenie využívania GTE v 2. etape.
V rámci riešenej 1. etapy sú navrhnuté zariadenia tak, aby zabezpečili efektívnu výrobu tepla využívaním OZE a KVET min. 5 000 MWh/rok (najneskôr do roku 2024).
Priestorová rezerva bude slúžiť na rozšírenie TZ-OZE v 2. etape, keď uvažujeme so zvýšením výroba tepla využívaním GTE a KVET na 12 000 MWh/rok. 2. etapa by mala byť realizovaná v budúcnosti ako náhrada za súčasnú VÚ KVET v CTZ, po skončení jej technickej životnosti.
3.1 Prevádzkové priebehy navrhovaných zariadení
Vychádzajúc z údajov uvedených v kap. 2.1 (Graf 01), následným modelovaním súčinnosti prevádzkových priebehov zariadení na výrobu tepla v jestvujúcom CTZ a v navrhovanom TZ-OZE vychádza, že potrebný tepelný výkon zariadení inštalovaných pre využívanie OZE a KVET v TZ-OZE musí byť min. 1 000 kW.
Pri modelovaní prevádzkových priebehov bola rešpektovaná súčasná výroba tepla v rámci VÚ KVET v CTZ ako priorita (celoročná prevádzka zariadení).
Zariadeniami navrhovanými v TZ-OZE (využívaním GTE a KVET) je potrebné efektívne vyrobiť min. 20 % tepla ročne. Pre uvedený účel boli navrhnuté tepelné čerpadlá voda / voda (TČ) a kogeneračná jednotka (KGJ). V tomto štádiu projektu uvažujeme, že vyvedenie elektriny z KGJ bude využívané pre vlastnú spotrebu TZ-OZE (predovšetkým pre pohon TČ).
Jestvujúce plynové kotly v CTZ budú plniť úlohu tepelného zdroja pre pokrytie odberových špičiek počas vykurovacej sezóny, resp. záložného zdroja pri výpadku preferovaných technológií.
Graf 02: Krytie výroby tepla zariadeniami po mesiacoch (MWh) – vzorový rok
Prehľad krytia ročnej výroby tepla po mesiacoch jednotlivými zariadeniami, na základe modelovania prevádzkových priebehov (podiel na celkovo vyrobenom množstve tepla za rok, poradie podľa prevádzkovej priority jednotlivých zariadení):
- jestvujúce zariadenia pre KVET v CTZ ........................................................ cca 31 %;
- navrhované zariadenia pre využívanie GTE v TZ-OZE ................................ cca 18 %;
- navrhované zariadenia pre KVET v TZ-OZE ................................................ cca 9 %;
(spolu v zariadeniach využívajúcich OZE a KVET .................................. cca 58 %); - jestvujúce kotly a rekuperátor v CTZ ........................................................... cca 42 %.
Na základe uvedeného možno konštatovať, že navrhované riešenie s dostatočnou rezervou zabezpečí splnenie základnej podmienky na účinné CZT (min. 50 % tepla vyrobeného kombináciou tepla vyrobeného z OZE a KVET).
3.2 Navrhované technologické zariadenia
a) Tepelné čerpadlá voda/voda
Navrhujeme inštalovať tepelné čerpadlá voda/voda, z pohľadu vychladzovania GTVo ich uvažujeme zapojiť v troch stupňoch.
Pre 1. a 2. stupeň vychladzovania GTVo predpokladáme inštalovať vysokoteplotné TČ:
1. stupeň – výkon cca 250 kW; návrhový teplotný spád – primár 30/25 °C, sekundár 70/80 °C; elektr. príkon cca 83 kW; priemerné COP = cca 3,1;
2. stupeň – výkon cca 250 kW; návrhový teplotný spád – primár 25/20 °C, sekundár 60/70 °C; elektr. príkon cca 72 kW; priemerné COP = cca 3,5.
Pre 3. stupeň vychladzovania GTVo predpokladáme použiť jestv. TČ, ktoré sú v súčasnosti inštalované v TZ Vadaš (presunúť do TZ-OZE):
3.stupeň – výkon cca 300 kW; návrhový teplotný spád – primár 20/15 °C, sekundár 50/60 °C; elektr. príkon cca 86 kW; priemerné COP = cca 4,0.
Celkový prietok GTVo v primárnom okruhu TČ bude max. 36 m3/h (10 l/sek).
Sekundárna strana TČ bude z pohľadu hydrauliky zapojená do technológie TZ-OZE opačne ako primárna strana, tzn. TČ 3. stupňa zapojiť ako prvé na najchladnejšiu vstupnú (vratnú) vyk. vodu, TČ 1. stupňa na najvyššiu vstupnú vyk. vodu.
b) Kogeneračná jednotka pre KVET
Elektrinu pre zabezpečenie napájania TČ (cca 240 kWe) a technologických zariadení TZ-OZE (obehové čerpadlá, regulačné armatúry a pod. – cca 30 až 40 kWe) navrhujeme vyrábať v KGJ, pripojenej paralelne do RDS (bez dodávky do RDS), prípadne v ostrovnej prevádzke.
Potrebné prevádzkové parametre KGJ:
- inštalovaný elektrický výkon ...................................................................... cca 350 kW,
- inštalovaný tepelný výkon .......................................................................... cca 450 kW,
- celkový príkon v palive ............................................................................... cca 900 kW.
Pri ostrovnej prevádzke je možné uvažovať so zaťažením KGJ na úrovni 60–70 % max. výkonu.
Z pohľadu hydraulického zapojenia rozvodov vykurovacej vody bude KGJ pripojená až za TČ tak, aby dodávala do spoločného výstupu vyk. vodu o najvyššej teplote.
Odpadové teplo z chladenia KGJ bude využívané na primárnej strane TČ-KGJ.
c) Súvisiace technologické zariadenia
Okrem popísaných zariadení pre výrobu tepla budú v TZ-OZE inštalované potrebné súvisiace zariadenia – zabezpečovacie zariadenie (expanzné nádoby, poistné prvky), obehové čerpadlá, armatúry regulačné, uzatváracie, meracie, vypúšťanie a pod., potrubné prepojenia.
Ako samostatné prevádzkové súbory budú vybudované rozvody elektroinštalácie, riadenia a regulácie, plynové odberné zariadenie, odvod spalín, vetracie zariadenia.
Obr. 01: Principiálna schéma zapojenia TZ-OZE
4. Prepojenie so sústavou CZT
Teplo vyrobené v TZ-OZE prostredníctvom využívania OZE a KVET bude potrebné dodať do jestv. sústavy CZT. Pre tento účel bude potrebné vybudovať potrubné prepojenie medzi TZ-OZE a strojovňu pre odovzdávanie tepla v jestv. POS-1. Rozvody vykurovacej vody budú z predizolovaných potrubí v dĺžke cca 1 450 m. Návrhové parametre potrubného prepojenia:
prepravná kapacita cca 2 000 kW (v 2. etape), teplotný spád 80/50 °C, straty tepla v rozvodoch cca 165 MWh/rok (2,5 %), doba prevádzky 5 500 h/rok (v 1. etape).
V jestvujúcej okrskovej výmenníkovej stanici POS-1 navrhujeme inštalovať zariadenia pre odovzdávanie tepla z TZ-OZE do sústavy CZT. Výmenníky tepla, regulačné armatúry, obehové čerpadlá a potrubné prepojenia inštalovať takým spôsobom, aby bolo možné odovzdávať teplo do prívodného, resp. do vratného primárneho potrubia, v závislosti od rozdielu teplôt medzi prívodom z TZ-OZE a primárnym potrubím.
5. Záver
V súčasnosti prebieha proces prípravy investičného zámeru – vypracovanie projektovej dokumentácie. Realizácia sa predpokladá v období max. 2 rokov. Prevádzkovateľ sústavy CZT získa popísaným riešením okrem naplnenia zadania uvedeného v úvode, taktiež výhodnú možnosť rozvoja výroby tepla v budúcnosti. Po skončení technickej životnosti KGJ, ktoré v súčasnosti efektívne využíva v CTZ pre VÚ KVET, bude mať vytvorenú možnosť na rozšírenie výroby tepla využívaním GTE v TZ-OZE. Takto bude schopný dlhodobo prevádzkovať sústavu CZT pri splnení podmienok pre účinné CZT.
Literatúra
- firemné zdroje RACEN spol. s r.o.
- firemné zdroje Enerbyt s.r.o.
Článek je mírně poupravenou verzí přednášky, která byla součástí mezinárodní vědecko-technické konference Vykurovanie 2020, Slovensko, Podbánské, 10. až 14. února 2020.
Achieving the criteria set for effectively district heating will be a precondition for the development of central heat supply in the coming period. Heating companies are therefore looking for suitable alternative solutions. In this paper it is the view of the designer on a concrete example of the combination of the use of geothermal water and CHP.