Výhody a omezení malých kogeneračních jednotek
Příspěvek se zabývá určením vhodných oblastí využití malých kogeneračních jednotek do výkonu desítek kW využívajících fosilní paliva i obnovitelné zdroje energie v komunální a průmyslové sféře. Analyzuje výhody a nevýhody kogeneračních jednotek na bázi spalovacích motorů, plynových turbin a parních motorů včetně jejich postavení v elektrizační soustavě.
Úvod:
Kogenerace je společná výroba elektrické energie a tepla a přináší nezpochybnitelné úspory primárních energetických zdrojů oproti oddělené výrobě obou energetických produktů. V posledním desetiletí vlivem zvyšujícího se tlaku na energetické úspory se dočkaly praktických realizací i některé složitější kogenerační technologie - trigenerace a polygenerace.
Z historických důvodů byla v minulosti v ČR využívána pouze "velká" centralizovaná kogenerace, tzv. teplárenství s rozsáhlými soustavami CZT (centralizované zásobování teplem). Ještě před 25 lety byla cena tepla pro spotřebitele cca 17,- Kč/GJ a tedy nikdo neměl snahu využívat kvůli úsporám primárních zdrojů energie i malé kogenerační jednotky. Teprve ve chvíli, kdy byly obecně ceny všech energií liberalizovány, se ukázala známá pravda, že úspory energie vznikají zejména ekonomickým tlakem. Až tehdy vznikl prostor pro zcela nový segment energetiky - malé teplárenství pro který se uchytil název "kogenerace". Výhod teplárenské výroby se začalo využívat pro energetické jednotky použitelné pro vytápění již od velikosti bytu nebo řemeslnické dílny. Ve snaze o podporu rozvoje malé kogenerace ze strany státu byly přijaty i některé netržní zásahy, které cenové relace mezi jednotlivými energetickými zdroji deformovaly. Vlastníci velkých teplárenských soustav vnímají tuto skutečnost jako diskriminační. Společně s tzv. fenoménem "úspor" vzniklých zateplováním objektů a odpojování některých odběratelů (průmyslových, komunálních) se zhoršuje postavení velkých tepláren na volném trhu s teplem - úspory primárních zdrojů jsou vázány na technické možnosti teplárny, především účinnost vlastního zdroje a technický stav včetně tepelných ztrát rozvodů soustav CZT.
Úsporu primárních paliv v teplárně oproti oddělené výrobě lze vyjádřit na základě rozdílu přivedeného tepla do jednotlivých výroben (elektrárna, kotelna a teplárna) s uvažováním dílčích účinností oddělených výrob a teplárny:
| Úspora primárního paliva: |  |
kde:
E - elektrický výkon tepelného stroje
Q d - tepelný výkon dodávaný do teplárenské soustavy
η - účinnost odpovídající jednotlivým výrobnám (elektrárna, výtopna, teplárna)
Jak je vidět ze vztahu pro úsporu primárního paliva v teplárně, tak vysoké účinnosti oddělené výroby elektřiny a tepla v nových elektrárenských zdrojích (PPC, nadkritické bloky) a moderní úsporné kotelny výrazně smazávají dosavadní výhody teplárenských úspor primárních zdrojů paliv zejména v starších rozsáhlých soustavách CZT.
Decentralizované a mikrokogenerační zdroje, prakticky beze ztrát tepla v sítích a rozvodech, mohou být v moderních energetických soustavách vhodným energetickým doplňkem - ale nikoliv náhradou!
Celkovou účinnost kogenerace lze posuzovat dle celkové tepelné účinnosti teplárny:
Q pal - tepelný příkon přivedený do teplárny v palivu
Podstatně důležitější pro investora je v souvislosti s cenovými relacemi na trhu s teplem a elektrickou energií znalost hodnoty teplárenského modulu (e) dané technologie, který jasně určuje poměr mezi elektrickým výkonem tepelného stroje (E) a dodávaným tepelným výkonem (Q d):
Pro ilustraci jsou v tabulce číselné hodnoty základních charakteristik kogeneračních technologií:
| Pohonná jednotka | Používané palivo | Rozsah výkonů [MWE] |
|---|---|---|
| Elektrická účinnost | Celková účinnost | Teplárenský modul |
| Parní turbína | libovolné | 0,05 - 200 |
| Spalovací turbína | zemní plyn, LTO, bioplyn, produkty zplyňování | 0,2 - 250 |
| Paroplynový cyklus | zemní plyn, LTO, bioplyn, produkty zplyňování | 5 - 450 |
| Spalovací motor | zemní plyn, LTO, bioplyn, produkty zplyňování | 0,01 - 10 |
| Stirlingův motor | Zemní plyn, biopalivo | 0,001 - 0,03 |
| Mikroturbína | zemní plyn, LTO, bioplyn, produkty zplyňování | 0,01 - 0,25 |
| Palivový článek | LPG, zemní plyn, bioplyn, plynné odpady, etanol | 0,005 - 2 |
Decentralizovaná kogenerace:
Zde je použit tepelný stroj o elektrickém výkonu v řádu desítek až stovek kWe a tomu odpovídající dle teplárenského modulu i velikost tepelného výkonu. Tyto kogenerační jednotky obvykle nejsou napojeny na žádnou rozsáhlou teplárenskou soustavu a řeší požadavky konkrétních odběratelů v dané lokalitě. Převážně využívají jako tepelný stoj spalovací motory, zejména kvůli jejich kompaktnosti a jednoduché obsluze. Velikost zdroje je pravidelně dimenzována dle tepelného příkonu objektu, někdy s uvážením přiměřené akumulace pro vyrovnání kolísání spotřeby tepla v objektu.
Mikrokogenerace:
Naprosto individuální použití principu společné výroby elektrické energie a tepla pro objekt velikosti rodinného domu/bytu nebo řemeslnické dílny s elektrickým výkonem od 1 kW maximálně do 15 kW (TEDOM uvádí až do 50 kW). Instalací mikrokogenerační jednotky přímo v objektu odpadají ztráty v tepelných sítích. Řízení provozu je zcela individuální a umožňuje případné napojení na "smart grids". Velikost zdroje je opět dána tepelným příkonem objektu a elektrický výkon pouze odpovídá poměru teplárenského modulu pro daný druh tepelného motoru. Mikrokogenerace je z technických důvodů zatím téměř 100% vázána na komerční spalovací motory s vnitřním spalováním a na použití ušlechtilého (plynného) paliva. Použití jiných levnějších druhů paliv, jakým je například bio-palivo (pevné, plynné), je vázáno na investičně náročná a zatím v praxi málo ověřená řešení. Stejně tak i jiný typ tepelného motoru např. tepelný stroj s vnějším přívodem tepla se zatím prakticky nepoužívá (zplyňování, parní stroj, Stirlingův motor).
Rozdělení mikrokogeneračních jednotek:
A) Kogenerační jednotky se spalovacím motorem:
• výhody: široký rozsah použitých paliv - kapalné (nafta, bio-rostlinné oleje) a plynné (ZP nebo bioplyn-skládky, ČOV, důlní plyny). Rychlé starty, alternativní paliva, dostupný servis, široký rozsah výkonů, ostrovní provoz se snadnou možností regulace výkonu.
• nevýhody: periodické vnitřní spalování limituje použití některých paliv (popeloviny, dehty, čistota paliva) a vznik emisí NOx a CO. Omezená životnost motoru vzhledem opotřebení pohybujících se částí - náklady na GO a periodické revize.
Obrázek mikrokogenerační jednotky TEDOM
B) Malá plynová turbina:
• výhody: široký rozsah použitých paliv, menší nároky na jeho čistotu (plynná i kapalná). Spalování ve spalovací komoře je kontinuální, tedy emise znečišťujících látek NOx jsou cca 10x nižší než u spalovacích motorů. Turbina jako celek má málo pohyblivých dílů, žádný translační pohyb, z toho plyne dlouhá životnost stroje, jsou použita vzduchová ložiska.
• nevýhody: nižší účinnost (rotační stroj), proto se používá regenerace tepla, výkony až cca od 30 kWe (např. CAPSTONE - USA). Velmi vysoké otáčky vyžadují vysokofrekvenční generátor a měnič frekvence. Mechanickou převodovku nelze použít.
Plynné palivo je nutno stlačovat do spalovací komory (přídavná práce snižuje účinnost).
Obrázek malé kogenerační jednotky s plynovou mikroturbinou CAPSTONE
C) RC cyklus s vodní parou a malý parní stroj:
• výhody: použité palivo do cyklu bez omezení - lze spálit všechno, jedná se o tepelný stroj bez vnitřního spalování - kontinuální proces spalování v kotli, možnost řízení a omezení emisí. Regulace výkonu motoru je možná klouzavými parametry páry, vhodné pro malé kotle, kde se obtížně dodržují konstantní jmenovité parametry páry. Výkony od jednotek kW, jednoduchá konstrukce, nízkootáčkový generátor spojen přímo bez převodovky.
Možnost uplatnění parního stroje malého výkonu v kombinovaném cyklu s pístovým spalovacím motorem ("pístový" paroplynový oběh) - zejména pro bioplynové stanice a skládky TKO, kde kogenerační jednotky se spalovacím motorem nemají zajištěn dostatečný odvod zbytkového tepla.
• nevýhody: přenos tepla v páře se změnou fáze (vypařování izobaricko-izotermický děj) a poměrně vysoké tlaky v systému. Na mikrokogeneraci je složitá technologie cyklu - úprava vody, napájecí nádrž a čerpadlo, obvykle kvalifikovaná obsluha.
Obrázek malého parního stroje TENZA integrovaného v kontejneru
D) ORC-cyklus:
• výhody: nižší parametry pracovní látky než u vodní páry, lze využít odpadní (nízkopotenciální) teplo cca od 120°C k efektivní výrobě elektrické energie (pevnostní dimenzování, kvalifikace obsluhy). Ostatní výhody RC cyklu jsou zachovány (palivo atd.). Jednoduchá rotační tepelná turbina bez převodovky (nízkootáčková).
• nevýhody: obvykle více pracovních látek pro transformaci energie (termo-olej, silikonový olej), složitost cyklu pro mikrokogeneraci a vysoká měrná investiční náročnost.
Závěr:
Mikrokogenerace a decentralizovaná kogenerace je vhodným doplněním "velkého" teplárenství v určitých lokalitách a vždy pouze pro specifické podmínky provozu. Není to univerzální lék na dodávky tepla do hustě osídlených lokalit. Vždy musí být komplexně posouzeno enviromentální hledisko, zejména celkové produkované emise znečišťujících látek a hluk. Známy jsou odstrašující případy rozpadu teplárenských soustav v některých městech a jejich následná decentralizace s produkcí znečišťujících látek z mnoha nízkých komínů přímo na obytných budovách.
Zatím je mikrokogenerace z technických důvodů jednoznačně vázána na spalovací motory s vnitřním spalováním a na použití ušlechtilého (zejména plynného) paliva. Proto, pokud není netržním způsobem zvýhodněn zpětný výkup elektrické energie do sítě, není při současných cenách paliva a elektrické energie mikrokogenerace obecně příliš konkurenceschopná. Použití jiných levnějších druhů paliv, jakým je například biomasa a bioplyn, je vázáno na technicky složitá a investičně náročná zatím v praxi málo ověřená řešení, která představuje např. tepelný stroj s vnějším přívodem tepla (Stirlingův motor) nebo metody zušlechťování energie z biomasy (zplyňování).
Nejnovějším vývojovým trendem v mikrokogeneraci je vzestup zájmu o termoelektrické aplikace. Termoelektrické generátory byly doposud používány převážně pro aplikace, kde jejich spolehlivost, absence pohyblivých částí a tichý provoz převažovaly jejich vyšší cenu a malou účinnost (typicky kolem 5 %), typicky kosmický průmysl. S rozvojem nových polovodičových materiálů a výrobních postupů se však stávají termoelektrické generátory dostupnějšími i účinnějšími. Dokladem je aktivita vývojových pracovišť automobilových výrobců v oblasti integrace termoelektrického generátoru do výfukového systému motoru pro zvýšení celkové účinnosti transformace energie.
Použité zdroje:
Fiedler, J.: Malé kogenerační jednotky, VIII. Slovenský energetický kongres ENoKO 2011, 7. - 8. červen 2011, hotel Bôrik, Bratislava, Slovensko, sborník str.11-13.
Pospíšil, J., Fiedler, J.: Využití společné výroby elektrické energie, tepla a chladu.
Konference:18. mezinárodní konference VYKUROVANIE 2010. 1.-5.3.2010 Stará Lubovňa, Slovensko, Sborník, str. 127-130, ISBN 978-80-89216-32-1
Škorpík, J., Fiedler, J: Vývoj malého pístového parního motoru. Článek v časopise: Energetika-ročník 61, č: 2/2011, str. 110-112. Index 46 507, ISSN 0375-8842
Fiedler, J., Novotný, Z.: Pístový parní motor. Konference: Power System Engineering, Thermodynamic and Fluid Flow 26.-27.6.2008 Plzeň, sborník str. 159-164, ISBN 978-80-7043-665-3
The paper deals with identifying suitable areas of use of small cogeneration units fossil fuels and renewable energy sources in municipal and industrial uses. Discusses the advantages and disadvantages of cogeneration units based on internal combustion engines, gas turbines and steam engines, including their position in the electricity grid