Kogenerační jednotky KGJ mění nejen velkou, ale i malou energetiku

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla je zcela běžný proces v mnoha velkých elektrárnách založených na spalování paliv a podobně i v některých teplárnách. O kombinované výrobě elektřiny a tepla lze hovořit i ve spojitosti s jadernými elektrárnami, ze kterých je teplo dodáváno do měst, například z Temelína do Českých Budějovic nebo nově schválený horkovod z JE Dukovany do Brna s napojením některých měst ležících na trase. Stále častější jsou nyní instalace plynových kogeneračních jednotek KGJ s výkony stovek kW a přibývají i instalace v mikro výkonech až jednotek kW. Lze konstatovat, že využití KGJ mění nejen oblast teplárenství, ale i energetiku průmyslu, velkých, ale i malých budov s nejrůznějším využitím. Optimálně navržená KVET s ohledem na skutečnou poptávku po elektřině a tepla, případně i v kombinaci s jinými zdroji či spotřebiči energie se ukazuje nejen jako konkurence schopná, ale i s překvapivě krátkou dobou návratnosti. Přitom KVET umožňuje další rozvoj využití výrobně nejistých obnovitelných zdrojů energie. Neboť zvýšit případně snížit výkon KGJ z nuly na 100% je otázkou minut.

„Dny kogenerace 2024“ uspořádané Sdružením pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla COGEN Czech ve den 22. až 23. října potvrdily, že KVET je v současnosti velmi silným tématem a lze říci i trendem ve využití plynu jako nosiče energie.

Současný stav

Vrchol s nově instalovaným ročním výkonem KGJ 41 MW byl v roce 2020. Následně došlo k zásadní změně podpůrných programů. I proto byl rok 2023 zatím nejhorší s instalovaným výkonem 7 MW. Letošní rok však již naznačil mírný růst, uvedl Kristián Titka, ERÚ, na základě statistiky OTE a.s., viz obr. 1.

Obr. 1

Zájem o instalaci KGJ ovlivňují nejen podpůrné modernizační programy, ale i legislativa. Dlouhodobá energetická strategie ČR počítá s velmi aktivním využitím plynu, a to především při náhradě za uhlí. Velmi významnou roli zde bude mít novela energetického zákona známá pod označením jako LEX OZE III a je transpozicí směrnice Evropského parlamentu a Rady číslo 2019/944 o společných pravidlech pro vnitřní trh s elektřinou.

Od LEX OZE III lze očekávat:

• Výrazné omezení jiných obchodních aktivit při podpoře výkupní cenou (akumulace, SVR, flexibilita, sdílení, nepodporovaná výroba).
• Změnu hodinového bonusu na čtvrthodinový (zavádění 15min. zúčtovací a obchodní periody).
• Aukce záruk původu a pravidla pro jejich (ne)vydání.
• Úpravu podmínek pro plnění kritérií udržitelnosti.
• Nové schéma podpory biometanu

Úprava pravidel regulace teplárenství

Využití KGJ v teplárenství ovlivňuje i Energetický regulační úřad. V přednášce Ing. Jan Šefránek, Ph.D., člen Rady Energetického regulačního úřadu, hovořil mj. o úpravě pravidel regulace teplárenství. Zajímavá může být mj. pozitivní motivace ke snižování teploty vratné teplonosné látky, viz dále. Hlavními body úpravy pravidel jsou:

Posílení dvousložkové ceny

• Transformace energetiky a teplárenství se projevuje ve změně chování a potřeb odběratelů, zejména v charakteru spotřeby a využívají dalších zdrojů tepelné energie.
• Cena by měla odpovídat nákladům vyvolaných odběrateli = dopad do změny alokace stálých ekonomicky oprávněných nákladů a přiměřeného zisku (čtyřleté přechodné období).

Motivace k novým investicím

• Snížení motivace k obnově starého zařízení s nízkou účinností = zkrácení doby indexace pořizovací hodnoty majetku na 30 let.
• Vytvoření vazby výše zisku na vývoji ekonomických ukazatelů (aktuální stav ekonomiky) = indexace majetku od roku 2022 vázána na tříletý průměr indexu Cen průmyslových výrobců.

Cenová motivace – produkt „vratky“

• Pozitivní motivace pro odběratele ke snižování teploty vratné teplonosné látky (na bázi dobrovolnosti) = jiná cena pro odběrná místa s pozitivním zpětným vlivem na soustavu.
• uplatnění nových technologií (tepelná čerpadla)
• zvyšování účinnosti a efektivity soustav
• snížení nákladů na ztráty, řízení soustavy
• snížení množství vyrobené energie a spotřeby vstupního paliva
• podpora zákazníků, kteří zodpovědně přistupují k odběru a využívání tepelné energie

Vymezení úrovní předání

• Zjednodušení kalkulace ceny na jednotlivé úrovně předání
• Omezení socializace nákladů mezi odběrateli (kritérium dělení, zákazník musí nebo nemusí dále upravovat parametry teplené energie)

Akumulace energie

Provoz KGJ lze řídit s ohledem na vyrovnávání denních výkyvů poptávky po elektrické energii, neboť souběžně vznikající teplo, pro které po určitou dobu není využití, lze ukládat se zásobníků. Ty se běžně společně s KGJ instalují. K využití tohoto tepla disponuje teplárenství soustavami pro zásobování tepelnou energií. Provozní podpora tepla z OZE a elektřiny z vysokoúčinné KVET byla notifikována a v červenci byla vypsána 1. aukce KVET na objem pro rok 2024. V nových zdrojích by mohl přibýt elektrický výkon 1 250 MW a 30 MW se týká modernizací, uvedl Jiří Vecka, Teplárenské sdružení České republiky. V jeho přednášce byl graf, jehož cílem je ukázat potenciál pro využití tepelných čerpadel v teplárenství. I z tohoto pro tepelná čerpadla pozitivního pohledu je zřejmé, že teplárenství se bez plynu neobejde ani v roce 2040 a plynové zdroje, tedy i KGJ, mohou a nebo budou muset být během roku v provozu až cca 4 800 provozních hodin, viz obr. 2.

Obr. 2

KVET a bioplyn

Podle sdružení BIOM CZ se podmínky ovlivňující využití biomasy a tedy i bioplynu v KGJ aktuálně značně změnily.

Velkou výhodou bioplynových stanic s produkcí elektřiny i biometanu je, že dokáží poskytovat kromě denní i sezónní regulaci, která je dosud výsadou převážně uhelných zdrojů. Pro další vývoj bude zásadní legislativa LEX OZE III.

Informace k poměrům při výrobě bioplynu, respektive biometanu, uvedl v přednášce Ondřej Frič za společnost agriKomp Bohemia s.r.o. Je zřejmé, že biometan vyrobený z hnoje, chlévské mrvy, je dražší než biometan vyrobený z odpadu nebo cíleně pěstované biomasy, viz obr. 3. Ovšem co se týká snížení uhlíkové stopy, tak biometan z hnoje nemá konkurenci, viz obr. 4.

Obr. 3

Obr. 4

U některých bioplynových stanic blízkých k plynovodům je již v současnosti nejvýhodnější je převést na výrobu biometanu. Příklad efektivity takového procesu s využitím KGJ je na obr. 5.

Obr. 5

Pokud nejsou u konkrétní bioplynové stanice vhodné podmínky pro přechod na biometan, pak je možné výrobu bioplynu zefektivnit.

Do plynárenství to sice na první pohled nepatří, ale každá bioplynová nebo biometanová stanice může být zdrojem organického hnojiva, jak upozornil zástupce innogy. Ne každý organický odpad lze totiž přímo aplikovat na zemědělské půdě. Před využitím na poli je často zapotřebí provést hygienizaci a fermentaci, a teprve následně z odpadu vznikne aplikovatelné hnojivo, které podpoří vydatnost zemědělské půdy. Za současného stavu zemědělských půd jsou taková hnojiva zásadně důležitá, a mimo jiné jde o tuzemský zdroj. Při čištění bioplynu na biometan se odděluje CO₂, který lze využívat například v potravinářství nebo pro technologické účely. A nabízí se i technologie metanizaci bioplynu na biometan. Při ní se přírodně vniklý metan doplní metanem, který vzniká reakcí CO₂ s vodíkem, který by měl být vyroben s využitím OZE.

Vodík a KVET

Tímto tématem se zabýval Martin Paidar za Českou vodíkovou technologickou platformu a Vysokou školu chemicko-technologickou v Praze. Vodík lze přímo využít například v palivových článcích, které produkují jak elektřinu, tak teplo. Dnes již zcela běžně i v kogeneračních jednotkách ve směsi se zemním plynem. Lze jej využít k metanizaci bioplynu, to je ke zvýšení podílu metanu při přeměně bioplynu na biometan. Pro využití vodíku může být předností jeho místní výroba, tedy nezatíženost poplatky za využití přenosové sítě. Bohužel závěr není zatím příliš optimistický: Současné regulace EU a přístup ČR zásadně ztěžují výrobu a využitelnost H₂ – často ztrátou ekonomické relevance realizací.

Agregace a služby výkonové rovnováhy (SVR)

Růst nerovnováhy mezi nabídkou a spotřebou elektřiny s rostoucím zastoupením nejistých obnovitelných zdrojů energie se nebude řešit jen na nejvyšší úrovni státu, ale i na nižší úrovni. A v tomto směru se výhody KGJ již plně projevují. V současnosti jsou dostupné služby, kdy agregátor různých druhů zdrojů dokáže na dálku řídit zařízení KGJ tak, aby z toho měl jejich provozovatel maximální zisk. Jiří Mlynář, e.on, uvedl příklad dokumentující rostoucí podíl a tedy i význam KGJ, zařízení KVET, k řešení nákladů za odchylku v působnosti e.on, viz obr. 6.

Obr. 6 Podíl KVET na nákladech za odchylku (e.on)

O agregaci hovořil také Tomáš Mužík, Nano Energies CZ. Kogenerační jednotky poskytují více možností. Jak formou využití jejich schopnosti rychlého startu z 0 na 100 %, tak i opačně, tedy rychlého útlumu výkonu. Jde o tzv. aktivace aFRR. Konkrétní příklad byl ukázán na možnostech jednotky zajišťující potřeby skleníku pro celoroční pěstování.

Mobilita, rychlost realizace

Kogenerační jednotky, protože jsou kompletovány u výrobce a dodávány i jako energetický kontejner, mají velmi krátké realizační doby u zákazníků. Dokazují to aktuální zkušenosti z desítek instalací na Ukrajině, jak o nich hovořil Robert Géc, Tedom.

K těmto zkušenostem lze doplnit informaci od Jiřího Nováka, GENTEC o tom, že KGJ mají potenciál v potřebně krátké době nahradit výrobu elektřiny v uhelných elektrárnách, která bude chybět na českém trhu. Může jít o výkon cca 1,5 GW instalovatelný do roku 2030. Průměrná doba výstavby může být 1 až 1,5 roku. Změna výkonu KGJ z 0 na 100 % trvá cca 2 minuty, zatím co uhelné elektrárně to trvá 6 až 8 hodin. Přitom KGJ má významně nižší emisní faktor pro elektřinu 199 g CO₂/kWh než uhlí, ale dokonce i méně než paroplynová elektrárna, a nižší, než je současný český průměr 370 g se zahrnutím jaderných a obnovitelných zdrojů, viz obr. 7.

Obr. 7 Emisní faktor CO₂/kWh elektřiny různých technologií (Zdroj: GENTEC CHP)

Útlum výroby elektřiny z uhlí bude poměrně rychlý. Například již příští rok končí s uhlím v Dětmarovicích, ČEZ, kde část výroby elektřiny a tepla zajistí právě KGJ. A tento trend v dalších letech zesílí.

Bude rok 2050 bez plynu?

Podle rozborů uvedených Michalem Macenauerem, EGÚ Brno, je 100% opuštění plynných paliv a přechod na 100% elektrickou energetiku do roku 2050 velmi nepravděpodobný. A to nejen v České republice, ale i státech, které považujeme za lídry ve využití OZE, jako je například Německo, Rakousko. Například Německo sice vykazuje hezkých cca 50 % vyrobené elektřiny z OZE, ale to není celá německá energetická bilance.

Úplné opuštění uhlí do roku 2050 je velmi jisté. Protože však uhlí má stále velký podíl na výrobě tepla a elektřiny (u nás cca 25 %, v jiných státech i více), proto se jako velmi nejisté jeví, že se v EU od roku 2050 bez plynu objedeme. A to i z důvodu krátkosti zbývající doby na masivní investice do nové energetiky. Bude na dost financí, pokud ekonomika v EU razantně neporoste?

Realizovaný příklad

V rámci přednášek bylo prezentováno i několik úspěšných realizací. Za jednu z technicky velmi zajímavých lze považovat tu, kterou představili Pavel Rokos a Marek Hönig za ČEZ ENERGO. Jde o rekonstrukci kotelny Svitavy Lány. Ukazuje komplexně provázanou kombinaci různých zdrojů a toků energie, kterou by dříve každý investor zřejmě již při prvním jednání odmítl jako příliš složitou. Modernizovaná „kotelna“ obsahuje:

• Kogenerační jednotka: El. výkon = 2 000 kWe, Tep. výkon = 2 254 kWt
• Plynové kotle: Tep. výkon = 400 kW
• Tepelné čerpadlo: Tep. výkon = 400 kW, El. příkon 87 kW
• Absorpční tepelné čerpadlo: Chladící výkon = 450 kW, Tep. výkon = 1 100 kW
• Elektrokotel: Elektrický příkon = 160 kW
• Chladič sekundárního okruhu

Zajímavé je mj. doplnění kotelny o elektrokotel. Důvod je jednoznačný, jsou to výskyty nabídky elektřiny s velmi nízkou až zápornou cenou. Neobvyklé je i využití plynového absorpčního tepelného čerpadla.

Obr. 8 Blokové schéma rekonstruované kotelny Svitavy Lány s vyznačení nově přidaných zařízení.

Závěr

KVET má velký potenciál k tomu, abychom úspěšně a za přijatelných podmínek zcela opustili uhlí jako zdroj energie. Co se týká budoucnosti plynu ve spojení s KGJ, je velmi pravděpodobné, že je budeme potřebovat i po roce 2050. A to i při razantním nástupu využití OZE pro výrobu elektřiny.

Jen na doplnění, nelze opomenout novinku z letošního října, a to zásadní rozhodnutí v Německu o zahájení příprav páteřní trasy pro přepravu vodíku, která povede i v blízkosti hranic s ČR.

Foto: TZB-info