Systémy společné výroby elektrické energie, tepla a chladu
Moderní teplárenské technologie konkurenceschopné na energetickém trhu musí vykazovat vysokou efektivnost provozu při současném co nejdelším ročním využití. Samozřejmostí je šetrnost k životnímu prostředí s komplexní minimalizací negativních dopadů výroby elektrické energie, tepla a chladu.
1. Úvod
Moderní teplárenské technologie konkurenceschopné na energetickém trhu musí vykazovat vysokou efektivnost provozu při současném co nejdelším ročním využití. Samozřejmostí je šetrnost k životnímu prostředí s komplexní minimalizací negativních dopadů výroby elektrické energie, tepla a chladu. Současný trend rozvoje teplárenství je logickým vyústěním ekonomických podmínek, nastavených nejen trhem ale i platnou legislativou ČR. Příspěvek přehledově uvádí současný stav a aktuální trendy teplárenství ČR.
2. Kogenerace
Kogenerace, jinými slovy společná výroba elektrické energie a tepla v jednom tepelném oběhu, je jedním ze způsobů snižování negativních vlivů energetiky na životní prostředí. K tomu dochází zejména dvěma zásadními způsoby:
- Úsporou primárních paliv oproti oddělené výrobě elektrické energie a tepelné energie. Úspory je dosaženo využitím "odpadní" tepelné energie z tepelného stroje pracujícího v tepelném cyklu dle 2. věty termodynamiky. Odpadní teplo o příslušných parametrech je dále využito k účelům technologickým a vytápění.
- Absolutním snížením množství znečišťujících látek centralizací a následným čištěním vypouštěných produktů spalování s předpokladem lepšího monitoringu výstupních emisí.
2.1. Členění kogenerace
Velká kogenerace - častěji je užíván název teplárenství, kde součtová velikost zdrojů dosahuje v jedné lokalitě jednotky až stovky MW tepelného výkonu a k tomu dle použitého typu tepelného stroje i odpovídající elektrický výkon. Jako tepelný stroj v cyklu převládá parní turbina, podle ročního způsobu využití teplárny buď protitlaková, nebo s regulovanými odběry páry. Postupně se začaly používat i plynové turbiny v otevřeném cyklu ve spojení s kotlem na odpadní teplo a případně i v kombinovaném (paroplynovém) cyklu s parní turbinou. Velké spalovací motory na plynná paliva s výkony v řádu jednotek až desítek MW elektrického výkonu se používají ve velkých teplárenských soustavách výjimečně.
Decentralizovaná kogenerace - zde je použit tepelný stroj o elektrickém výkonu v řádu desítek až stovek kW a tomu odpovídající 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.
Mikrokogenerace - naprosto individuální použití principu společné výroby elektrické energie a tepla pro objekt velikosti rodinného domu s elektrickým výkonem od 1 kW maximálně do 10 kW. Mikrokogenerace je zatím z technických důvodů jednoznačně vázána na spalovací motory s vnitřním spalováním a na použití ušlechtilého (plynného) paliva. Proto pokud není zvýhodněn zpětný výkup elektrické energie do sítě, není při současných cenách paliva a elektrické energie mikrokogenerace konkurenceschopná. Použití jiných levnějších druhů paliv, jakým je například biomasa, je vázáno na investičně náročná a 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 se doposud hodily převážně pro aplikace, kde jejich spolehlivost, absence pohyblivých částí a tichý provoz převažují jejich vyšší cenu a malou účinnost (typicky kolem 5 %). 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.
2.2. Rizika kogenerace
Kromě výhod přináší kogenerace i jistá rizika, která lze rozdělit do následujících bodů.
- Velikost teplárenských zdrojů je často dimenzována bez ohledu na úspory vznikající postupně vlivem snižování tepelných ztrát objektů a lepšímu způsobu regulace soustavy. Omezování spotřeby tepla odběrateli bez přizpůsobení velikosti zdroje vede k zvýšení cen tepla vlivem fixní složky nákladů v soustavě.
- Pro rozsáhlé soustavy CZT (centralizované zásobování teplem) je důležité omezování tepelných ztrát při přenosu tepla k zákazníkovi. V některých případech se vlivem tepelných ztrát snižuje nebo ruší základní výhoda kogenerace - úspory primárního paliva.
- Citlivost kogenerace na typ použitého tepelného stroje s ohledem na podíl výroby elektrické a tepelné energie. Je nutno mít na paměti, že odbyt tepelné energie je časově omezen na určitá roční období a volbou nevhodného tepelného stroje je potom výrazně omezována (případně úplně zastavena) výroba elektrické energie. Takovým tepelným strojem je v teplárenské soustavě parní turbina protitlaková, kde výroba elektrické energie je zcela vázána na dodávku tepla. Jedná se o tzv. vynucenou výrobu elektřiny, o kterou není v současných podmínkách distribuční přenosové sítě zájem a její výkupní cena je nízká. S ukončením dodávek tepla je navíc turbinu nutno odstavit z provozu úplně. V současnosti jsou proto pro teplárenské soustavy nejvýhodnější takové tepelné stroje, které mohou vyrábět nezávisle oba finální produkty v širokém rozsahu vzájemných poměrů. Tedy například parní kondenzační turbiny s regulovanými odběry páry nebo plynové turbiny s by-passovým komínem před kotlem na odpadní teplo.
3. Trigenerace
Pojmem trigenerace označujeme systémy umožňující společnou výrobu elektrické energie, tepla a chladu. Jako trigenerační systém jsou ale označovány i aplikace, které umožňují variantně volit mezi společnou produkcí elektrické energie a tepla nebo společnou produkcí elektrické energie a chladu. Smyslem uplatnění trigeneračních systémů je nejčastěji snížení spotřeby energetických zdrojů, snížení produkce znečišťujících látek, zvýšení ročního využití kogeneračních technologií a snížení potřebných elektrických výkonů pro chlazení. Trigenerační jednotka je nejčastěji tvořena spojením kogenerační jednotky s teplem hnanou absorpční chladicí jednotkou.
Obr. 1 Schéma trigeneračního systému
3.1. Princip absorpčního chladicího oběhu
V absorpčním oběhu koluje chladivo a absorpční látka, viz obr. 2. Páry odpařeného chladiva odcházející z výparníku jsou absorbovány v absorbéru do kapalné absorpční látky za současného uvolnění absorpčního tepla. Vzniklá kapalná směs je čerpadlem dopravena do části oběhu s vyšším pracovním tlakem. Následným zvýšením teploty této směsi jsou vypuzeny páry chladiva z absorpční kapaliny. K vypuzení par dochází v prvku označovaném jako desorbér (v zahraniční literatuře označován též jako generátor). Páry postupují do kondenzátoru, kde kondenzují při kontaktu s ochlazovaným povrchem. Chladivo v kapalné podobě dále prochází přes škrtící ventil do výparníku. Zde vlivem snížení tlaku dochází k varu chladiva při nízké teplotě a odnímání tepla ochlazované látce. Páry chladiva poté uzavírají svůj pracovní oběh absorpcí v absorbéru. Oddělenou větví se z vysokotlaké části oběhu vrací přes škrtící ventil do nízkotlaké části absorpční kapalina prosta vypuzeného chladiva. Pro dosažení dobré účinnosti je nutno absorpční oběh vhodně doplnit výměníky tepla, které zajistí opakované využití tepelných toků s respektováním nutných teplotních spádů. Konkrétní uspořádání oběhu vždy záleží na zvolených pracovních parametrech a použité dvojici pracovních látek.
Obr. 2 Základní schéma jednostupňového absorpčního oběhu
Hnací tepelná energie je desorbéru absorpčního oběhu dodávána buď za pomoci integrovaných hořáků - přímo vytápěné absorpční oběhy, nebo přes teplosměnné plochy ohřívané horkou vodou nebo parou - nepřímo vytápěné absorpční oběhy.
Existuje množství látek, které mohou společně pracovat v absorpčních cyklech. Základní podmínkou vhodné dvojice látek je dobrá rozpustnost chladiva v látce absorpční. Z látek, které podmínku dobré rozpustnosti splňují, jsou dále použitelné pouze ty, které mohou pracovat v oblasti použitelných teplotních a tlakových úrovní. Samozřejmostí při volbě vhodné dvojice látek je posouzení dostupnosti, ceny a vlivu na životní prostředí. Pracovní dvojice nejčastěji využívané v komerčních absorpčních cyklech jsou NH3 - H2O, H2O - LiBr, H2O - LiCl, H2O - NaOH.
3.2. Členění absorpčních chladicích jednotek
Jednostupňová absorpční jednotka - využívá nejjednodušší variantu provedení absorpčního oběhu. Pracovní oběh využívá pouze dvou tlakových úrovní. Teplota hnací tepelná energie je vyžadována nad 80 °C, což umožňuje využít jednotku ve spojení s kogeneračními jednotkami se spalovacím motorem. Další možností je využití tepelné energie z dálkového rozvodu tepla pro výrobu chladu. V těchto aplikacích je ale nutné zohlednit napojení absorpční chladicí jednotky v systému regulace dálkového rozvodu. Provoz absorpční jednotky je ve většině případů omezen pouze na letní období, kdy regulace teplárenských sítí snižují teplotu topné vody. Provozně důležité omezení absorpčních jednotek je na straně produkce chladu v teplotní úrovni, na které je chlad produkován. Nejčastěji absorpční jednotky používají vodu jako chladivo. Dosahovaná nejnižší teplota vychlazení těchto jednotek neklesá pod 0 °C a prakticky se teplota vychlazené vody pohybuje nad 4 °C. Hlubší úrovně vychlazení dosahují absorpční jednotky využívající jako chladivo amoniak. Jejich nevýhodou je značně vyšší potřebná teplota desorpce (nad 150 °C). Efektivnost jednostupňových absorpčních oběhů je možno vyjádřit poměrem chladicího výkonu k potřebnému tepelnému výkonu hnacího tepelného zdroje. Takto vyjádřená efektivnost se u jednostupňových absorpčních oběhů pohybuje na úrovni 0,6.
Dvoustupňová absorpční jednotka - představuje složitější variantu absorpční jednotky s poměrem chladicího výkonu k potřebnému tepelnému výkonu na úrovni 1,2. Použitý absorpční oběh pracuje mezi třemi tlakovými hladinami. Nejnižší teplota produkce chladu je u dvoustupňové absorpční jednotky stejná jako u jednostupňové jednotky. Rozdíl je ale na straně hnací tepelné energie, která je vyžadována na teplotní úrovni min. 120 °C. Tyto jednotky je výhodné využívat v provedení přímo vytápěných (využití zemního plynu) nebo otápěných parou s vhodnými parametry. Dvoustupňové provedení absorpčních jednotek je používáno pouze u absorpčních oběhů využívajících vody jako chladiva. Jednotky využívající jako chladiva amoniak nejsou v dvoustupňovém provedení vyráběny.
Srovnání absorpčních chladicích oběhů s chladicími oběhy kompresorovými - nevyznívá jednoznačně pro žádnou z posuzovaných technologií produkce chladu, a vhodnost užití záleží vždy na konkrétních podmínkách a potřebách návazných systémů. Obecně platí, že absorpční chladicí jednotky jsou rozměrově větší než chladicí jednotky kompresorové. Spotřeba elektrické energie absorpčních jednotek je přibližně pětkrát nižší a jejich další předností je velice nízká hlučnost. Absorpční jednotky mají větší hmotnost a vyšší investiční náročnost než jednotky kompresorové. Lépe jsou na tom absorpční jednotky z hlediska nároků na servis a převyšují kompresorové jednotky i v životnosti.
3.3. Aplikace absorpčních oběhů
Trigenerační jednotky - sestavené z kogeneračních jednotek se spalovacím motorem a jednostupňového absorpčního oběhu představují nejčastější realizaci trigenerační jednotky s výkonem do 1 MWCH. Trigenerační jednotky s větším chladicím výkonem jsou realizovány ve spojení s teplárenským zdrojem užívajícím parní oběh. Ekonomické hodnocení trigeneračních jednotek ukazuje, že rozšíření kogeneračních systémů na trigenerační nesnižuje významně dobu návratnosti vložených investic, ale za dobu životnosti celého systému umožňuje dosáhnout vyšších zisků.
Autonomní absorpční chladicí jednotky - jsou variantou ke kompresorovým chladicím jednotkám. Autonomní přímo otápěná jednotka využívá nejčastěji plynná paliva jako zdroj tepelné energie. Tyto absorpční jednotky umožňují provoz buď v chladicím, nebo topném režimu. Užití autonomních chladicích jednotek je zaměřeno především na velké stavební komplexy (letiště, administrativní komplexy, supermarkety), kde výrazně snižují potřebný rezervovaný výkon dodávky el. energie.
Dálkové zásobování chladem - je jedním z rozšiřujících se trendů v oboru energetického zásobování. Dálkové zásobování chladem může být realizováno souběžným rozvodem topné a chladicí vody. V takovém případě jsou obě média produkována v energetické centrále a rozvody dopravována k odběrateli. Toto řešení vykazuje velkou investiční náročnost a v některých lokalitách je vzhledem k nutným rozsáhlým výkopovým pracím nerealizovatelné. Další možností dálkového zásobování chladem je napojení decentralizovaných absorpčních jednotek na teplovodní nebo parní síť. Toto řešení vyžaduje vhodné provázání potřeb tepelné sítě s požadavky absorpčních jednotek v průběhu celého roku.
Obr.3 Dostupné systémy využití energetických zdrojů
4. Závěr
Kogenerace je důležitý a v ČR i EÚ uznávaný způsob energetické technologie, která je šetrná k životnímu prostředí a minimalizuje negativní dopady výroby elektrické energie a tepla v průmyslově vyspělé společnosti. Současný trend rozvoje kogenerace je logickým vyústěním ekonomických podmínek, nastavených nejen trhem ale i platnou legislativou ČR. Regulovaná cena tepla z kogenerace v konkurenčním prostředí blokových kotelen s vysokou účinností vede teplárny k maximalizaci výroby elektrické energie zejména ve spojení s nabídkou podpůrných služeb v elektrizační soustavě. Kogenerační systémy budou i nadále nuceny zvyšovat účinnost výroby elektrické energie, jinak se bude vytrácet výhoda úspory primárního paliva oproti oddělené výrobě elektřiny a tepla. Zejména pokud bude teplárna nucena soutěžit při prodeji elektrické energie s vysoce účinnými nadkritickými parními a paroplynovými bloky.
Další možné směry v moderním teplárenství jsou systémy pro efektivnější využívání energetických zdrojů, které je možno označit souhrnným pojmem polygenerace. Z této skupiny však pouze trigenerační systémy vykazují významnějšího počtu realizací. Nárůst počtu provozovaných trigeneračních systémů souvisí nejtěsněji s nárůstem požadavků na chladicí výkon klimatizačních zařízení, který bude mít v dalších letech patrně vzrůstající tendenci.
Použitá literatura
[1] Osterreicher D., Pol O., Concerto Inititiative and Polygeneration, Proceedings of the 1st European Conference on Polygeneration, Vol.1, No.1, pp. 39-54., 2007
[2] Petchers, Neil, Combined heating, cooling & power handbook, Lilburn: The Fairmont Press, Inc. 2003
[3] Minciuc E., Corre O., Athanasovici V., Tazerout M., Fuel saving and CO2 emissions for tri-generation systems, Applied Thermal Engineering 23, pp. 1333-1346, 2003
This contribution summarizes utilizing of co-generation and tri-generation systems for effective electricity, heat and cool production. A co-generation and a tri-generation offer more effective utilizing of primary energy sources in comparison with separate production of different kinds of energy. This contribution describes actual state in the Czech Republic in year 2009.