Wave – vývoj a experimentální provoz malého kogeneračního zařízení na biomasu

Úvod

Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT umístěné v Buštěhradu nedaleko Kladna poskytuje zázemí pro výzkum a vývoj potenciálně perspektivních tepelných cyklů, především pak organických Rankinových cyklů. V laboratoři LORCA (Laboratoř organických Rankinových cyklů a jejich aplikací) je umístěn prototyp zařízení Wave, které je určené pro výrobu elektřiny a tepla z dřevní štěpky. Dřevní štěpka jako palivo byla vybrána nejen z důvodu velmi nízkých nákladů na GJ. Jedná se také o lokální obnovitelný zdroj energie a spadá tak do konceptu decentralizované energetiky, kam lze zařadit celé zařízení Wave a jeho ideu. Zařízení bude schopné svým tepelným výkonem 50 kW (resp. 120 kW v příští generaci) pokrýt tepelnou potřebu a částečně také elektrickou spotřebu např. bytových domů horských chat či penzionů, výrobních hal apod. V přípravě je také řešení Wave s bateriovým úložištěm pro poskytnutí částečné zálohy při výpadcích elektrické energie. Zařízení Wave je v laboratoři LORCA provozováno od svého křtu v červnu 2016 až do současnosti (listopad 2017). Zařízení prošlo jednou velkou přestavbou (výměna spalovací komory s palivovým hospodářstvím a spalinovým výměníkem) a mnoha menšími dílčími úpravami na jednotlivých prvcích. Má za sebou již přes tisíc hodin provozu, stovky vyrobených kWh elektrické energie a přes sto vyrobených GJ tepla. Článek volně navazuje na příspěvek [1], v rámci kterého byla mj. odborná veřejnost se zařízením Wave umístěném na UCEEB ČVUT stručně seznámena.

Popis mikrokogeneračního zařízení Wave

Mikrokogenerační zařízení Wave si lze jednoduše představit jako plně automatický biomasový kotel s přidruženou výrobou elektřiny. Zatímco běžné kotle pro svůj provoz elektřinu spotřebovávají, jednotka Wave si pro svůj provoz elektřinu vyrobí a přebytečnou elektřinu je schopna dodat do připojeného objektu případně distribuční sítě. Celý koncept je známý jako kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET) případně kogenerace, v malém měřítku mikrokogenerace. Výhodou KVET je, že se z tepelné energie uvolněné spálením biomasy využije část pro přeměnu na kvalitativně hodnotnější formu energie – elektrickou energii. Výroba elektřiny je realizována prostřednictvím organického Rankinova cyklu (ORC), který je chlazen otopnou vodou určenou pro vytápění. Schéma ORC doplněné o další prvky mikroelektrárny Wave je na obrázku 1.

Obr. 1 Technologické schéma mikrokogeneračního zařízení Wave

Z násypky o objemu 2 m³ je palivo – dřevní štěpka – dopravováno šnekovým dopravníkem do spalovací komory. Spaliny odcházejí následně do integrované směšovací komory, ve které se horké spaliny mísí se spalinami odchozími (zchlazenými), a to v takovém poměru, aby byla jejich teplota po smísení udržována přibližně na 650 °C. Spaliny o této teplotě vstupují do vinutých trubkových výměníků. Z výměníků, kde předávají své teplo pracovní látce ORC, jsou spaliny nasávány dvěma ventilátory – odtahovým a recirkulačním. Recirkulační ventilátor dopravuje část spalin do směšovací komory, odtahový ventilátor zbylé spaliny dopravuje do komína. Spalovací komora je vybavena šnekovým dopravníkem pro automatické odpopelnění, výměníky jsou vybaveny systémem pro automatické čištění.

Jak bylo uvedeno, spaliny ohřívají ve spalinových výměnících pracovní látku – v našem případě hexamethyldisiloxan (jedná se o organickou látku, proto je cyklus nazýván jako organický Rankinův cyklus). Pracovní látka se vypaří a při teplotě cca 180 °C a tlaku 5 barů odchází do lamelového expandéru. V něm je realizována expanze pracovní látky, resp. přeměna tepelné a tlakové energie v páře na mechanickou energii. Expandér roztáčí elektrický (asynchronní) generátor, který mění mechanickou energii na elektrickou. Zajímavostí pro čtenáře může být, že kompletní vývoj lamelového expandéru probíhá na UCEEB ČVUT. Výhodou tohoto typu expandéru (ve srovnání s jinými typy objemových expandérů případně malých turbín) je zejména jednoduchá konstrukce, nízké výrobní náklady a potenciál pro sériovou výrobu. Nevýhodou může být zejména nižší účinnost, která je dána mj. ranou fází vývoje lamelových expandérů pro ORC. Na zvýšení jejich účinnosti na UCEEB ČVUT dále pracujeme.

Obr. 2 Zařízení Wave v laboratoři LORCA na UCEEB ČVUT

Pára z expandéru následně odchází do kondenzátoru, kde při tlaku cca 0,6 baru absolutně (40 kPa pod atmosférickým tlakem) kondenzuje. Kondenzát je zachycen v zásobníku kondenzátu, odkud ho napájecí čerpadlo dopravuje zpět do spalinového výměníku. Kondenzátor je chlazený otopnou vodou s nominálním teplotním spádem 80/60 °C. Výstupní teplotu lze ovšem přesně regulovat v širším rozmezí.

Prototyp zařízení Wave umístěný v laboratoři LORCA na UCEEB ČVUT (viz obr. 2) je připojen k otopnému okruhu budovy. Zařízení je z důvodu experimentů provozováno aktuálně v průměru asi tři dny v týdnu. Během nich ovšem dokáže částečně či úplně nahradit plynové kotle. S trochou nadsázky tak můžeme prohlásit, že naše experimenty přispívají ke komfortnímu pracovnímu prostředí ostatních kolegů.

Technické parametry a vlastnosti Wave

Obr. 3 Bilance elektrické energie zařízení Wave

Zařízení Wave, které je provozováno v laboratoři LORCA má nominální tepelný výkon 50 kW a čistý elektrický výkon vyvedený do sítě aktuálně asi 1,9 kW. Vlastní spotřeba podpůrných systémů (napájecí a oběhové čerpadlo, ventilátory, šnekové dopravníky, MaR atd.) je relativně vysoká, což je daň za nízký výkon celého zařízení (lze mluvit o tzv. scale-faktoru – čím vyšší výkon, tím více klesá relativní podíl ztrát a naopak). Důležitou roli proto hraje optimalizace spotřeb jednotlivých prvků. Všechny spotřebiče jsou dimenzovány s ohledem na reálné potřeby zařízení (nejsou zbytečně předimenzovány), všechny asynchronní elektromotory jsou v nejvyšší dostupné třídě účinnosti. Přesto činí vlastní spotřeba přibližně 35 % celkové elektrické energie vyrobené generátorem. Koláčový graf jednotlivých spotřeb je na obrázku 3.

Pro výše uvedený čistý výkon tak musí mít expandér mechanický výkon přibližně 3,3 kW. Jeho termodynamická účinnost se pohybuje kolem 50 % (pozn.: účinnost malé radiální turbíny by na stejných parametrech dosahovala přibližně 70 %, ovšem za cenu výrazně vyšších pořizovacích nákladů). Celková účinnost zařízení Wave (teplo + elektřina) se pohybuje na úrovni 80 %, což je hodnota srovnatelná s biomasovými kotli na dřevní štěpku. Rozdílem oproti kotli je pak samozřejmě výroba elektřiny. Násypka o objemu 2 m³ poskytuje dostatečnou zásobu paliva pro 24h provoz při nominálním tepelném výkonu. Souhrn uvedených parametrů je uveden v tabulce 1.

Provoz Wave je v tuto chvíli již plně automatický. Zařízení se takzvaně na tlačítko dá uvést do provozu, stejně snadno se pak dokáže odstavit. Zapálení paliva obstarává elektrický odporový zapalovač. Po detekci hoření se spouští PID regulátory napájecího čerpadla, ventilátorů, šnekového dopravníku paliva a trojcestného ventilu otopné vody. Pozvolna dochází k roztočení expandéru s generátorem. Při dosažení 3000 ot/min je spuštěn frekvenční měnič asynchronního generátoru, který zajišťuje vyvedení elektrické energie z generátoru. Od zapálení do výkonu, kdy se pokryje vlastní spotřeba zařízení (zařízení začíná dodávat elektřinu do sítě) uběhne asi 20 minut. Dalších přibližně 20 minut je potřeba k dosažení nominálního výkonu. Zařízení obsahuje záložní systémy a diagnostické algoritmy, které jsou schopné detekovat nestandardní chování či poruchy na většině prvků systému, dokáží v případě problému zajistit jeho bezpečné odstavení.

Vývoj od června 2016 až po současnost

Uvést zařízení do výše popsaného stavu stálo celý vývojový tým hodně času a úsilí. V době, kdy byl Wave uveden do provozu, bylo možné veškeré komponenty ovládat pouze ručně. Program pro automatizaci všech podsystémů i celého zařízení teprve začal vznikat. Při vývoji softwaru se nebylo možné zcela vyvarovat chyb a tak se občas povedlo například celou laboratoř zadýmit. Jindy se zařízení odmítlo při poruše odstavit nebo vykazovalo známky jiného nestandardního chování. S ohledem na velkou komplexnost celého systému se podobných softwarových chyb řešily desítky. Vývoj programu samozřejmě dále probíhá a chyby řešíme stále, byť se již většinou nejedná o nic zásadního.

Problémy byly také se samotným ohništěm (velký nedopal, emise) a s integrovaným spalinovým výměníkem, zejména z pohledu zanášení teplosměnných ploch a nemožností tyto plochy automaticky čistit, dále pak z pohledu značného přisávání vzduchu do výměníku a tepelných mostů. Tyto problémy byly nakonec vyřešeny začátkem roku 2017, kdy byl integrovaný výměník s ohništěm nahrazen samostatnou spalovací komorou a samostatnými výměníky unikátní vlastní koncepce. Výměníky byly vybaveny systémem automatického čištění (opět vlastní koncepce), odpopelnění a bylo možné vše lépe zaizolovat. Nové ohniště umožňuje také spalování podstatně horšího paliva (s velkým obsahem vody).

Technologická část, kde je realizován vlastní tepelný oběh, neznamenala příliš koncepčních změn, spíše spoustu dílčích úprav. Celý systém je konstruován tak, aby bylo možné jednotlivé prvky jednoduše demontovat a nahradit jinými, případně doinstalovat další. V průběhu vývoje se tak celý systém rozrostl. V praxi to znamená, že se zvýšil počet těsněných spojů a tedy počet potenciálních zdrojů netěsností. I přes to se nám od zprovoznění zařízení podařilo značně zvýšit spolehlivost z pohledu těsnosti. Získali jsme samozřejmě mnoho cenných zkušeností o tom, na jaké systémy těsnění je spolehnutí a které jsou problematické.

Obr. 4 Lamelový expandér

Zcela samostatnou kapitolou je pak lamelový expandér (viz obr. 4). Jak bylo řečeno, jeho vývoj je kompletně realizován na UCEEB. Řešili jsme a stále řešíme záležitosti týkající se jak jeho termodynamické účinnosti, tak i životnosti a spolehlivosti jeho jednotlivých komponent, které jsou vystaveny velmi náročným provozním podmínkám (vysoké teploty, vysoké otáčky, velké tlakové síly). V době uvedení zařízení Wave do provozu docházelo například k častému praskání kompozitních grafitových lamel. Dvakrát se řešila havárie vysokoteplotních ložisek, které nevydržely náročný provoz za ne zcela adekvátního mazání. Na expandéru je pro přenos točivého momentu na generátor použita magnetická spojka se skleněným oddělovacím dílem, o jehož křehkosti jsme se již bohužel také několikrát přesvědčili. Konstrukčními změnami v rámci expandéru, které proběhly od června 2016, jsme navýšili expanzní poměr a snížili podíl vnitřních netěsností, což vedlo k navýšení výkonu přibližně o 50 % oproti výchozímu stavu. Nyní jsme v situaci, kdy bude možné účinnost expandéru dále zvyšovat až zcela novou konstrukcí, která je v tuto chvíli v přípravě. Současně je v řešení i životnost kritických prvků (zejména lamely a ložiska), kterou je možné ověřit až dlouhodobým provozem.

Výhled do budoucna

Obr. 5 Návrh kontejnerového provedení kogeneračního zařízení Wave

Jak je z předešlého patrné, zařízení Wave prošlo od svého zprovoznění v červnu 2016 značným vývojem. Stále se jedná o experimentální laboratorní jednotku, v tuto chvíli je však již reálné pomýšlet na pilotní umístění a dlouhodobý testovací provoz. Ten je do určité míry možné realizovat i v laboratoři, což ovšem nedokáže zcela nahradit reálné nasazení a testování v reálných podmínkách. Kromě dlouhodobých testů je v přípravě umístění celé jednotky do kontejneru a její propojení s bateriovým úložištěm (viz obr. 5). Výhodou takového řešení je rychlost a snadnost instalace zařízení a určitá energetická soběstačnost včetně možnosti zálohování připojeného objektu při výpadcích elektřiny. Zároveň se nestane, že by výpadky elektřiny ovlivnily dodávku tepla. Výhled ve vývoji směřuje také k další verzi kogenerační jednotky Wave s vyšším tepelným výkonem 120 kW a elektrickým výkonem cca 6 kW.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

1. MAŠČUCH, J., MYDLIL, P.: Mikrokogenerace z biomasy jako prostředek k úsporám primárních energií a CO₂. TZB-info [online]. 20. 2. 2017. Dostupné z:
   http://energetika.tzb-info.cz/kogenerace/15390-mikrokogenerace-z-biomasy-jako-prostredek-k-usporam-primarnich-energii-a-co2