VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE PROJEKT ORC CYKLU PROJECT ORC CYCLE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. JAKUB ČERNÝ doc. Ing. JAN FIEDLER, Dr. BRNO 2014

2

3

4

5 ABSTRAKT Cílem éo diplomové práce je zpracování projeku kogenerační jednoky na biomasu s použiím ORC cyklu a následným využiím epelné energie k sušení dřevní biomasy pro brikeovací linku. Úvodní čási práce jsou věnovány popisu principu kogenerace, organického Rankinova cyklu (především edy uvedení možných aplikací a jejich využií v praxi) a výběru pracovní kapaliny. V dalších čásech je uveden echnický popis vybraných zařízení pro kogenerační jednoku, bilanční schéma oběhu a výpoče výparníku pracovní kapaliny. Poslední čás je věnována ekonomickému zhodnocení ří varian dle invesorova zadání a navržení výhodnější variany k realizaci. KLÍČOVÁ SLOVA ORC, kogenerace, kogenerační jednoka, ORC jednoka, výroba elekrické energie ABSTRACT The aim of his hesis is he projec for biomass cogeneraion unis using ORC cycle and subsequen use of hermal energy for drying wood biomass for a briqueing line. The inroducing secions describe he principle of cogeneraion, organic Rankine cycle (primarily he indicaion of poenial applicaions and heir use in pracice) and he selecion of he proper working fluid. The following secions provide a echnical descripion of he seleced plans for cogeneraion uni, oal circulaion scheme and calculaion of he evaporaor working fluid. The las secion is devoed o he economic evaluaion of hree varians according o he invesor's ask o design a beer opion for implemenaion. KEYWORDS ORC, cogeneraion, cogeneraion uni, ORC uni, producion of elecriciy

6

7 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE ČERNÝ, J. Projek ORC cyklu. Brno: Vysoké učení echnické v Brně, Fakula srojního inženýrsví, s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Jan Fiedler, Dr..

8

9 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že ao práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samosaně pod vedením doc. Ing. Jana Fiedlera, Dr. a s použiím lieraury uvedené v seznamu. V Brně dne 22. kvěna Bc. Jakub Černý

10

11 PODĚKOVÁNÍ Tímo bych chěl poděkova doc. Ing. Janu Fiedlerovi, Dr. za možnos výběru émau éo diplomové práce, za odborné vedení, čas věnovaný konzulacím a cenné rady a informace při jejím zpracování.

12

13 OBSAH 1 Úvod Kogenerace Využií kogenerace v praxi Energeický přínos kogenerace Rozdělení kogeneračních jednoek Kogenerační zařízení využívající biomasu Parní kogenerace parní urbína Kogenerace s ORC Plynová kogenerace spalovací urbína Paroplynová kogenerace Kogenerace se spalovacími moory Organický rankinův cyklus Pracovní princip ORC Vylepšený organický cyklus Aplikace ORC Solární energie Energie z biomasy Spalování biomasy Zplyňování biomasy Rozklad biomasy bioplyn Geoermální energie Energie z odpadního epla Vývoj a disribuce aplikací Vhodná pracovní média Opimální vlasnosi pracovních médií Popis projeku ORC cyklu Výběr kogenerační jednoky Technický popis Horkovzdušný koel Popis spalování Komponeny Technické paramery kole ORC jednoka Provoz ORC jednoky Pracovní cyklus jednoky

14 6.2.3 Popis zařízení Zdroj epla Klapky Komín By-pass spalin Kompenzáory Spalinový sysém Izolace Chlazení Věrání Membrány Tlakový sysém Vakuový sysém Dusíkový sysém Pásová sušárna Popis sušení Komponeny Technické paramery sušárny Bilanční schéma ORC oběh bez regenerace ORC oběh s regenerací Návrh výparníku oluenu Sechiomerie spalin Minimální objemy vzduchu a spalin Husoa vzduchu a spalin Enalpie vzduchu a spalin Výpoče výparníku Návrh geomerie výparníku Výpoče součiniele přesupu epla Výpoče eplosměnné plochy výparníku Výpoče rovného úseku rubek Výpoče lakových zrá v rubkovém prosoru Výpoče lakových zrá v mezirubkovém prosoru Výpoče skladových prosor Spořeba epla Spořeba paliva

15 9.3 Celkový skladový prosor Denní zásobník paliva Ekonomické zhodnocení invesice Invesiční náklady Podpory z vyrobených energií Variana A ČR 2014 (sp do 10/2013) Variana B ČR 2014 (sp po 10/2013) Variana C SR Výpoče zhodnocení jednolivých varian Variana A Variana B Variana C Závěr Použié informační zdroje Seznam použiých symbolů Seznam obrázků Seznam abulek Seznam použiých zkraek Seznam použiých příloh

16 1 ÚVOD V dnešní moderní době, kdy nám sále rose spořeba energií, ať už edy elekrické či epelné, je zcela nezbyné ve věším měříku využíva energii uloženou v obnovielných zdrojích. Fosilní paliva, ak jak je známe od objevení prvních ložisek v 19. soleí (uhlí, ropa a zemní plyn), nám začínají pomalu docháze a je jen oázkou času (i přes neusálé prolomování ěžebních limiů, či objevování nových nalezišť), kdy nám dojdou úplně. Pokud si edy člověk bude chí zachova svůj komforní syl žií, bude zcela nepochybně nucen využíva veškerou možnou energii z právě zmíněných obnovielných zdrojů. Za obnovielný zdroj se považuje akový zdroj, jenž se nedá vyčerpa, a může bý sále obnovován. K ěmo zdrojům řadíme např. biomasu, energii vod, věru, slunce a geoermální energii. Výhodou ěcho obnovielných zdrojů energií je jejich neurální vliv vůči živonímu prosředí. Např. u spalování biomasy se sleduje pouze množsví prachového úleu, nikoliv však množsví uvolněného CO2, neboť se bere v úvahu, že přibližně sejné množsví CO2 by se uvolnilo do amosféry i kdyby ao biomasa nebyla spálena, ale pouze by se s pomocí mikroorganismů posupně rozkládala. V omo principu se edy dále rozvíjí a využívají moderní echnologie produkující elekrickou energii v řádech výkonů od desíek kwe až do řádů MWe. Jako primární energeické zdroje jsou právě věšinou využívány obnovielné zdroje energie. Důležiým fakorem při rozhodování se o výběru zvolení druhu primárního zdroje je výše podpor z vyrobené energie, keré jsou bohužel v rámci OZE v ČR od zcela pozasavené (ve věšině případů). Výraznou roli na omo savu má nejspíše špané nasavení výše podpor a způsob rozdělování finančních prosředků. Ukázkovým příkladem pro eno fak je ohromný nárůs výsaveb foovolaických elekráren pro dodržení závazků výroby elekrické energie z OZE v rámci ekologické poliiky EU. Téma éo diplomové práce bylo vybráno na základě reálné možnosi výsavby kogenerační jednoky dle navržených echnologických zařízení v rámci projeku invesora. Jedná se edy především o echnickém popisu vybraných zařízení kogenerační jednoky, jejich zapojení do oběhu s uvedením bilančního schémau a závěrečnému ekonomickému zhodnocení varian realizací v souvislosi s invesorovými akiviami. Úvodní čási práce jsou věnovány popisu principu kogenerace, organického Rankinova cyklu (především edy uvedení možných aplikací a jejich využií v praxi) a výběru pracovní kapaliny. Jak již bylo zmíněno výše, v dalších čásech je uveden echnický popis vybraných zařízení pro kogenerační jednoku, bilanční schéma oběhu a výpoče výparníku pracovní kapaliny. Poslední čás je věnována ekonomickému zhodnocení ří varian dle invesorova zadání a navržení výhodnější variany k realizaci. 16

17 2 KOGENERACE Pod pojmem kogenerace se rozumí současná výroba dvou druhů energií, nejčasěji o bývá kombinace elekrické a epelné energie. V ČR se pak můžeme seka s pojmem kombinovaná výroba elekrické a epelné energie (KVET). Sysém, kerý nám zajišťuje výrobu a dopravu elekrické a epelné energie nazýváme kogenerační sysém. Výrobny, ve kerých se přeměňuje primární energie (např. z paliva) na energii elekrickou a epelnou nazýváme kogenerační jednoky. S možnosí kombinované výroby energií se nám zvyšuje celková účinnos sysému oproi samoné výrobě elekrické a epelné energie. [1] Obr. 2.1 Schéma kogenerace spalující dřevní šěpku [2] Kogenerační sysém v sobě zahrnuje kogenerační jednoku včeně dopravy a spořeby konečné formy energie. Teno sysémy lze rozděli dle pořadí využívaných energií ako: horní kogenerační sysém u ohoo sysému je prvoně využívána epelná energie - eplo je po svém zužikování přivedeno do energeického zařízení (urbína, moor) kde se přemění na mechanickou práci a a se v generáoru přemění na elekrickou energii. dolní kogenerační sysém je přesný opak horního kogeneračního sysému, edy prvoní využií pro výrobu elekrické energie a eprve poom využií epelné energie (odpadní eplo) z epelného oběhu. 17

18 Kogenerační jednoky se mohou skláda z následujících zařízení: zařízení pro úpravu primárního zdroje energie věšina paliv musí bý před samoným procesem spalování vhodně upravena. A o ať už formou řídění, drcení či jinou formou rozmělnění. primární jednoky (urbíny, moory, ad.) sloužící k přeměně uvolněné epelné energie v mechanickou práci. zařízení pro výrobu a úpravu elekrické energie nejčasěji se využívá synchronních, ale i asynchronních generáorů, hlavním rozdílem ěcho generáorů je možnos a způsob připojení k elekrizační síi. zařízení pro rekuperaci epelné energie formou epelných výměníků, sloužících k přeměně odpadní energie z procesu výroby elekrické energie na epelnou energii k následnému využií. 2.1 VYUŽITÍ KOGENERACE V PRAXI V praxi se ve věšině případů volí insalace společné výroby energií formou kogenerací, případně i rigenerací (např. výroba elekrické energie, epla a chladu), neboť úspory na palivo primárních energeických zdrojů (PEZ) jsou v porovnání se samosanými výrobnami daleko vyšší. [3] Obr. 2.2 Příklad energeického přínosu kogenerační výroby epla a elekřiny [3] Z principu využií rozdělených výroben elekřiny a epla je parné, že pro cílené pořeby energií uživaelů (1,0 GJ epla spolu s 0,22 MWh elekřiny) je řeba celkové množsví 3,50 GJ PEZ. Oproi omu při výrobě epla a elekřiny v kogeneraci je zapořebí pouze 1,91 GJ PEZ. Výhodou kogenerace je edy úspora paliva, a o až o 45 %. Dalšími výhodami může bý 18

19 využií obnovielných zdrojů energie jako PEZ, čímž dojde i k snížení emisní záěže na živoní prosředí, případně možnos decenralizované výroby energií pro věší celky, keré ak mohou bý nezávislé na dodávkách elekrické a epelné energie (nemocnice, školy, hoely ad.). 2.2 ENERGETICKÝ PŘÍNOS KOGENERACE Snížení spořeby PEZ je možné vyjádři s pomocí jednoduchých maemaických vzahů: [3] Kondenzační elekrárna Energie paliva: Q el E [GJ] (2.1) η el Výopna Energie paliva: Q vý Q [GJ] (2.2) η vý Teplárna Energie paliva: Q ep Q + E [GJ] (2.3) η ep 2.3 ROZDĚLENÍ KOGENERAČNÍCH JEDNOTEK Kogenerační jednoky lze děli dle mnoha aspeků. Dle výkonnosních paramerů primárních jednoek můžeme yo jednoky děli např. do 5 kaegorií: Mikro kogenerace do 50 kwe Mini kogenerace od 50 do 500 kwe Kogenerace malého výkonu od 0,5 do 1 MWe Kogenerace sředního výkonu od 1 do 50 MWe Kogenerace velkého výkonu nad 50 MWe 19

20 Další možnosí rozdělení je dle použiého primárního paliva: Tuhá (pevná) paliva uhlí, biomasa, ad. Plynná paliva zemní plyn, bioplyn, dřevoplyn, ad. Kapalná paliva LTO, TTO, mazu, ad. Dle způsobu připojení k elekrizační sousavě: paralelní provoz zapojení přímo do elekrizační síě osrovní provoz bez připojení k elekrizační síi, vyrobená elekřina se spořebovává v mísě její výroby nouzový provoz v principu vykonává funkci záložního zdroje 2.4 KOGENERAČNÍ ZAŘÍZENÍ VYUŽÍVAJÍCÍ BIOMASU Biomasa bude i do budoucna velice perspekivním zdrojem energie a o nejen v podobě dřevních odpadů, jak je známe dnes, ale např. i RRD pěsovaných speciálně pro yo účely. Kogeneraci využívající biomasu je možné realizova pomocí následujících zařízení: Parní urbíny o kondenzační urbíny o proilaké urbíny Plynové urbíny Paroplynová zařízení Spalovací moory o Zážehové moory o Vzněové moory Tab. 2.1 Modul eplárenské výroby elekřiny (e) a celková účinnos KC [4] Kogenerační zařízení e Celková epelná účinnos Parní urbína (spalování biomasy) 0,10 0,25 0,80 0,85 Parní urbína (zplyňování biomasy) 0,08 0,22 0,75 0,80 Spalovací urbína 0,42 0,75 0,72 0,88 Paroplynové zařízení 0,60 1,20 0,70 0,82 Spalovací moory 0,54 0,75 0,75 0, PARNÍ KOGENERACE PARNÍ TURBÍNA Teno yp kogenerace je založen na principu Rankin-Clausiova cyklu. Teplonosné médium (upravená voda) je přivedeno napájecím čerpadlem do kole, zde se oo médium přeměňuje na páru na mezi syosi, dále prochází přes přehřívák, kde je pára přehřáá na pořebnou eplou, a odud odchází na urbínu. Přivedená pára je po expanzi v éo urbíně odváděna pro její následné epelné využií. Turbína je spojena buďo přímo, nebo s pomocí převodovky s generáorem, kerý přeměňuje mechanickou práci na elekrickou energii. V případě převodovky se dle poču oáček a pólů generáoru volí převodový poměr převodovky ak, aby bylo dosaženo frekvence 50 Hz vyráběné elekrické energie. Odvod epla je uskuečněn v kondenzáoru, kde se mokrá pára přeměňuje v syou kapalinu. Tao kapalina 20

21 je následně čerpána do napájecí nádrže, odkud je znovu napájecím čerpadlem přiváděna do kole. Odpadní eplo z kondenzáoru je využio ve spořebielském okruhu. Pro parní kogenerace o výkonu 100 kwe 10 MWe se dodávají jako sousrojí s proilakými axiálními či radiálními urbínami. Generáory k ěmo urbínám se pro menší výkony dodávají asynchronní, pro veší pak synchronní, regulace výkonu urbíny je prováděna regulačním venilem, či naáčecími saorovými lopakami a pro jednoduchos je urbína uložena na společném rámu i s mazáním a regulací KOGENERACE S ORC Teno yp kogenerace využívající organického Rankinova cyklu je podobný klasickému parnímu cyklu, s ím rozdílem, že eplonosným médiem není upravená voda, ale organická kapalina. Tao kapalina je charakerizována vyšší molekulovou hmonosí, což vede ke zpomalení roace urbíny, nižšímu laku a zabránění erozí ocelových čásí a lopaek. ORC se dnes využívá pro spalování biomasy ve výkonové škále od 0,05 do 5 MWe. Podrobněji bude celý princip kogenerace využívající organický Rankinův cyklus popsán v dalších kapiolách PLYNOVÁ KOGENERACE SPALOVACÍ TURBÍNA Hlavní čásí éo kogenerace je spalovací urbína, generáor vyrábějící elekrickou energii a spalinový koel pro využií odpadního epla ze spalin. Spalovací urbína je složena z kompresoru a urbíny (spojené na jedné hřídeli), kompresor nasává vzduch a slačuje ho do spalovací komory, kde je mísen se zemním plynem. Tao směs shoří ve spalovací komoře a spaliny jsou odváděny na lopaky urbíny poháněcí nejčasěji přes převodovku generáor. Spaliny z urbíny se přivádí do spalinového kole pro výrobu páry či horké vody dle pořeby. Kogenerační jednoky se spalovací urbínou jsou dodávány ve výkonové škále od 1 do 200 MWe. Plynové kogenerační zařízení využívající biomasu se v ČR příliš nevyskyuje. Věšinu akovýcho zařízení lze považova za experimeny, ale zařízení briské společnosi Talbos se jeví jako profesionální. Principem je spalování biomasy v koli, ve výměníku epla ohoo kole se spalinami ohřívá slačený vzduch, kerý pohání mikro urbínu a následně vyrábí elekrickou energii přes generáor. Spaliny za vzduchovým výměníkem jsou vedeny do eplovodního výměníku, pro využií odpadního epla z ěcho spalin. Výrobce udává výkon 50 kwe a 95 kw PAROPLYNOVÁ KOGENERACE Paroplynová kogenerace je výsledkem kombinací kogenerace parní a plynové, v praxi o vypadá ak, že ke spalovací urbíně je přiřazena parní proilaká urbína. Tzn., že pára vyrobená ve spalinovém koli za spalovací urbínou je vedena na lopaky parní urbíny. Využiím jejich specifických vlasnosí je dosaženo vyššího supně konverze chemické energie paliva na energii elekrickou než při aplikaci samoné kogenerační jednoky se spalovací komorou. Pro zajišění paramerů páry a zároveň menšího a levnějšího spalinového kole je řeba zajisi odpovídající eploní spád mezi párou a spalinami, jenž vyžaduje zvýšení eploy spalin ve spalinovém koli přiápěním za pomoci přihřívacího hořáku. Poměr výkonu 21

22 je dán poměrem dodávky paliva do spalovací komory a spalinového kole. Poměr výkonů bývá přibližně 3:1 až 4:1. Paroplynová kogenerace může bý ješě zajišěna s pomocí Chengova cyklu. Teno cyklus je rozdílný v aplikaci vyrobené páry, edy pára vyrobená ve spalinovém koli nejde do urbíny, ale je přivedena do spalovací urbíny, čímž zvyšuje hmonosní ok skrze lopaky urbíny. Tím se projeví nárůs účinnosi urbíny. Výhodou je snadná úprava páry (nemusí bý přehřáá), ale nevýhodou vyšší provozní náklady spojené s dodávkou upravené vody, neboť je ao pára spolu se spalinami vypoušěna do amosféry KOGENERACE SE SPALOVACÍMI MOTORY Pro eno druh kogenerace se nejčasěji využívají písové spalovací moory s vniřním spalováním známé především z auomobilového průmyslu. Jejich aplikace mají uplanění v řadě možných insalací malých a sředních výkonů, např. jako kogenerační jednoky k bioplynovým sanicím, či malé kogenerační jednoky spalující zemní plyn. Jak již bylo řečeno, yo moory mají vniřní spalování. Při oxidaci paliva a následném hoření ohoo paliva ve spalovací komoře dochází k uvolnění epelné energie, kerá je předána písům, jež rozáčí klikový hřídel a konají ak mechanickou práci. Tao práce je dále převedena v generáoru na elekrickou energii. Dle použiého paliva dělíme spalovací moory do dvou skupin, a o: Zážehové směs nasávaného vzduchu spolu s palivem je zapálena ve spalovací komoře elekrickou jiskrou. Vzněové do slačeného horkého vzduchu ve spalovací komoře je vsříknuo palivo, keré se vlivem vysokého laku a eploy samo vzníí. Rozdílem mezi ěmio moory není jen druh použiého paliva, ale i celková účinnos jednolivých moorů. Zážehové moory mají účinnos nižší, přibližně kolem 32 %, zaím co vzněové moory mají účinnos vyšší a o dle ypu mooru, maximálně však do 44 %. Vše je dáno koncepcí pracovního cyklu obou moorů. Vzněové moory se však časěji využívají pro věší kogenerační jednoky (výkon samoné jednoky až do 20 MW). Obr. 2.3 Schéma kogenerace se spalovacím moorem [5] 22

23 3 ORGANICKÝ RANKINŮV CYKLUS Organický Rankinův cyklus (ORC) vychází z principu R-C cyklu parních urbín. Hlavním rozdílem mezi ěmio cykly je pracovní médium. Ze samoného názvu cyklu je parné, že eno cyklus využívá pracovní médium organického původu (uhlovodíky), j. např. kapalinu s nižším bodem varu, než je bod varu vody. Too médium umožňuje přeměnu v Rankinově cyklu i nízkoeploním zdrojům energií jako je např. spalování biomasy, průmyslové odpadní eplo, geoermální eplo či solární energie. Takovéo nízkoeploní eplo je dále přeměněno v užiečnou mechanickou práci a následně v elekrickou energii. První prooyp byl navrhnu a prezenován poprvé v roce 1961 solárními inženýry Harrym Zvi Taborem a Lucienem Bronickim. [6] Obr. 3.1 Schéma ORC oběhu spalující biomasu [7] 3.1 PRACOVNÍ PRINCIP ORC Pracovní princip organického Rankinova cyklu je sejný jako princip R-C cyklu. Zjednodušeně je pracovní kapalina čerpána do kole, v omo koli se vypaří, projde skrze urbíny a následně znovu zkondenzuje do kapaliny. V ideálním cyklu je expanze páry izoenropická a vypařování spolu s kondenzačními procesy izobarické. V reálném cyklu se příomnos nevraných dějů projeví snížením účinnosi cyklu. Tyo nevrané děje se převážně vyskyují: Během expanze pouze čás energie využielná z lakového rozdílu je přeměněna na užiečnou práci. Zbylá čás energie je přeměněna v eplo, respekive ve zráy. Účinnos expandéru je definovaná v porovnání s izoenropickou expanzí. 23

24 V epelných výměnících pracovní kapalina urazí dlouhou a klikaou cesu, během níž je zajišěna dobrá epelná přeměna, kerá je ovšem doprovázena poklesem laku, jenž zpěně sníží množsví energie. Sejně ak eploní rozdíl mezi zdrojem epla a pracovní kapalinou vyváří snížení exergie a snižuje ak celý výkon cyklu. Obr. 3.2 T-s diagram ideálního a reálného ORC - Isopenan [8] 3.2 VYLEPŠENÝ ORGANICKÝ CYKLUS V případě suchého média může bý cyklus zlepšen využiím regeneráoru: médium, jenž na konci své expanze nedosáhlo dvoufázového savu, má v omo mísě eplou vyšší než je eploa kondenzace. Téo vyšší eploy lze např. využí k předehřevu média před vsupem do výparníku pomocí proiproudého výměníku epla. Takovýo výměník se insaluje mezi výsup z expandéru a vsup do výparníku. Jeho přínos spočívá ve zvýšení účinnosi a snížení požadovaného výkonu od zdroje epla. [6] Obr. 3.3 Schéma ORC s regeneráorem [9] 24

25 3.3 APLIKACE ORC Technologie ORC má v dnešní době využií v mnoha aplikacích. Podle posledních průzkumů je na celém svěě více než 250 provozovaných insalací, mezi nimiž jsou nejrozšířenější následující energeická odvěví Obr. 3.4 Schéma aplikací využívající ORC kogeneraci [10] Modularia a univerzálnos ORC echnologií, jako např. možnos jejich využií pro různá odvěví, různé pracovní eploy apod. dávají jisou šanci ěmo aplikacím i v případech insalací nepodléhajícím národním či evropským podporám z vyrobené elekřiny. Oranžově a červeně jsou naznačeny průoky eplonosných kapalin, zeleně pak dodávky elekrické energie SOLÁRNÍ ENERGIE Parabolické disky spolu se Sirlingovým moorem jsou jedním z mnoha příkladů využií sluneční energie k výrobě elekrické energie v malém měříku. Oproi omu např. pole solárních věží, nebo parabolických solárních žlabů jsou insalace věších výrobních paramerů, při sejném pracovním principu sluneční záření je odráženo v zrcadlech kolekorů z důvodu co možná nejvyšší koncenrace ohoo záření usměrněného do mís, kde dochází k ohřívání a následnému vypařování pracovní kapaliny. Teno přenos se děje dvojím způsobem, a o buďo přímo přeměnou pracovního média, nebo skrze epelný výměník a přeměnu epla z ohřívací kapaliny do pracovního média. Velikos akovýcho parních elekráren je však příliš velká (insalace v rozmezí od 30 do 80 MWe), pro předsavu zabraná plocha akovouo elekrárnou činí 2 km 2. V porovnání s ORC echnologiemi, kde je řeba mí na 1 MWe přibližně 0,01 km 2 plochy, jsou yo aplikace v menším měříku nevýhodné. Insalace ORC echnologií umožňují nižší eploy, vyšší účinnosi (snížením okolních zrá) a ím edy možnos insalací menších solárních polí, oproi insalacím s R-C cyklem. Příkladem je schéma níže, kde může sluneční záření přímo ohříva organickou pracovní kapalinu (při 25

26 relaivně nízkých provozních lacích), nebo ohřívání eplonosné kapaliny, jejího ukládání do akumulační nádrže a následného využií energie z éo kapaliny v nočních hodinách. Insalace ohoo ypu dávají ORC echnologiím jisou šanci při uplaňování v praxi. Obr. 3.5 ORC kogenerace využívající solární energii [10] ENERGIE Z BIOMASY Biomasa je dosupný zdroj energie po celém svěě, čímž může bý využia k insalacím elekráren malých a sředních výkonů. Problémy s vysokými měrnými invesičními náklady na nákup srojního zařízení, jako např. parního kole, jsou překonány díky nízkým lakům, pracovního media v ORC elekrárnách. Výhodou ěcho elekráren je dlouhá živonos srojních zařízení díky vlasnosem pracovního média. Oproi R-C oběhům využívajících páru zde nedochází k erozi a korozi porubí či lopaek urbíny. ORC echnologie jsou aké insalovány z důvodu poměrně malých zásob paliv dosupných v daných regionech. Proo bývají insalovány především jednoky menších výkonových rozměrů. Mezi dva hlavní důvody využií biomasy jako zdroje energie k výrobě epla a elekřiny v ORC echnologiích paří její nízká energie, keré je ješě umocněna náklady na dopravu biomasy a popávka po elekřině, eple a chladu (díky absorpčním echnologiím), jenž se časo nachází na sejném mísě. Výroba elekrické energie z biomasy může bý uskuečněna prosřednicvím jejího vnějšího spalování (parní R-C cyklus, organický Rankinův cyklus či Sirlingův moor), nebo jejím vniřním spalováním zplyňováním (spalovací moor). Vnější spalování má ovšem nevýhodu v relaivně nízké účinnosi přeměny zdroje energie (max. 30 až 35 %) oproi vniřnímu spalování zplyňování, keré je charakerizováno svou vysokou poencionální účinnosí, ale aké velice problemaickým čišěním dřevoplynu. Posledním možným způsobem je biologický rozklad biomasy, a o ve formě zvířecích exkremenů spolu s roslinným organickým odpadem (pro případ bioplynových sanic je o nejčasěji posekaná kukuřice). 26

27 SPALOVÁNÍ BIOMASY V roce 2008 bylo regisrováno více než 97 insalací s ORC sysémem využívající biomasový koel jako hlavní zdroj epla. Too číslo předsavuje 47 % ze svěového využií ORC echnologií. Věšina insalací se pohybuje v rozsahu od 0,2 do 2 MWe, přičemž odpadní eplo z chlazení cyklu bývá nejčasěji využio k vyápění domácnosí, či sušení/chlazení v průmyslovém odvěví. Teploa chladící kapaliny v ěcho insalacích se pohybuje od 60 do 120 C dle pořeb koncových uživaelů. S ímo fakem je spojen i výběr pracovní kapaliny, odpovídající daným paramerům, neboť je např. lak páry příliš vysoký i při eploách kondenzace. Obvykle se eplo spalin ze spalování biomasy přemění do epla pracovní kapaliny skrze sekundární ermální olej, kerý je využi v sekundárním okruhu pro eplenou přeměnu epla ze spalin při amosférickém laku, čímž je zaručena věší konrola nad řízenými ději. Obr. 3.6 ORC kogenerace využívající spalování biomasy [10] ZPLYŇOVÁNÍ BIOMASY Při porovnání ORC echnologie se zplyňujícími echnologiemi z hlediska echnických a ekonomických paramerů, vyjde zřeelně najevo vyšší výnos ze zplyňovačů, i při celkově vyšší pořizovací ceně oproi ORC echnologii (a o až o 75 %) i vyšším nákladům na provoz a údržbu zařízení (v daných případech až o 200 %). Kombinací obou zařízení, keré je parné ze schémau níže, však dosaneme celkové zvýšení vyrobených kwe z daného kg paliva, neboť epla odebraná z čišění plynů spolu s eplem ze spalin vysupujících ze spalovacího mooru a eplem z chlazení ohoo mooru jsou využia v cyklu ORC jednoky. 27

28 Obr. 3.7 ORC kogenerace využívající zplyňování biomasy [10] ROZKLAD BIOMASY BIOPLYN Anaerobním vyhníváním biomasy získáváme bioplyn. Ten je následně čišěn a ve spalovacím mooru přeměněn v práci (elekrickou energii). Chladící voda ze spalovacího mooru je z čási využia pro zahřívání fermenoru na dané eploě a zbyek z ohoo epla bývá využi k vyápění či sušení komodi ze zemědělské produkce. Výfukové spaliny z ohoo procesu jsou využiy v příslušné ORC echnologii k výrobě elekrické energie. V současné době paří prvensví v celkovém poču insalovaných bioplynových sanic Německu. Obr. 3.8 ORC kogenerace využívající rozklad biomasy [10] 28

29 3.3.3 GEOTERMÁLNÍ ENERGIE Velké množsví epla dosupného na celém svěě je např. z geoermálních zdrojů. Teno zdroj se řadí mezi jedny z důležiých v oblasi obnovielných zdrojů. Zdroje geoermálního epla se nacházejí v eploním rozsahu od 50 C do 350 C. ORC echnologie jsou proo dokonale přizpůsobeny ěmo zdrojům energií. Je však důležié mí na paměi, že u ěcho nízkoeploních zdrojů (eploa obvykle nižší než 100 C) bývá celková účinnos nízká a silně závislá na eploě chladící kapaliny. Nejlepší meodou využií pro zdroje epla s eploou 200 C a více bývá vedení páry přímo na urbínu v oevřeném cyklu. Pro zdroje s eploami do 150 C je alernaivou výroby elekřiny v ORC zařízeních. Zde se využívá k přeměně epla ze zdroje výměník, jenž oo eplo předá pracovní kapalině v sekundárním okruhu. Obr. 3.9 ORC kogenerace využívající geoermální energii [10] ENERGIE Z ODPADNÍHO TEPLA Využií odpadního epla je z hlediska vývoje insalací ORC echnologií asi ím nejdůležiějším odvěvím. ORC jednoky mohou bý využiy jako výrobny epla a elekřiny (např. malé kogenerace v domácnosech), nebo v průmyslových a zemědělských výrobních procesech pro využií horkých výfukových plynů z pecí, z vozidel, chlazení kompresorů, kondenzáorů v elekroechnice ad. Hlavním důvodem využií ěcho echnologií je fak, že např. v průmyslové výrobě přispívá energie odpadního eplo ke zráám, keré ve výsledku přispívají ke zvyšování provozních nákladů daných výrobních procesů a především k vyšší záěži živoního prosředí. 29

30 Obr ORC kogenerace využívající odpadní eplo [10] 3.4 VÝVOJ A DISTRIBUCE APLIKACÍ ORC echnologie jsou od samého začáku až do dnes sále zkoumány a šeřeny z různých hledisek v daných odvěvích, nicméně za poslední deseileí se yo aspeky podařilo prozkouma do věších deailů, což prokazují samoná daa z vývoje ORC echnologií. Obr Vývoj (a) a disribuce (b) aplikací využívající ORC echnologie [10] 4 VHODNÁ PRACOVNÍ MÉDIA Výběr pracovní láky má klíčový význam pro nízkoeploní Rankinův cyklus. Vlivem nízké eploy není účinnos přenosu epla příliš vysoká. Tao nízká účinnos však silně závisí na charakerisických vlasnosech pracovní kapaliny a na provozních podmínkách. V případech využií nízkopoenciálního epla se obvykle navrhuje pracovní kapalina s nižším bodem varu než má voda. Média na bázi chladiv a uhlovodíků jsou nejčasěji použiým 30

31 médiem vůbec. Oproi vodě mají nižší výparné eplo, avšak vyšší husou spolu s molární hmonosí. [6] Příklady používaných kapalin: Tab. 4.1 Příklady pracovních médií pro ORC echnologie [11] 4.1 OPTIMÁLNÍ VLASTNOSTI PRACOVNÍCH MÉDIÍ Vzhledem k omu, že účelem ORC echnologií je především využií nízkopoenciálního epla, je přehřívání médií jako např. u klasického R-C cyklu velmi nevhodné. Spíše se využívá malého přehřáí spalinami na konci výparníku. Teno fak znevýhodňuje zv. mokré kapaliny j. kapaliny jenž jsou na konci expanze v dvoufázovém savu. V případě použií suché kapaliny by však měl bý společně insalován i regeneráor. V omo principu edy rozeznáváme ři základní druhy organických kapalin, viz diagramy níže. Obr. 4.1 T-s diagramy izoenropické, mokré a suché kapaliny [12] 31

32 V T-s diagramu mají suché kapaliny kladný sklon, mokré kapaliny záporný sklon a kapaliny izoenropické mají sklon zv. nekonečný. Kapaliny suché a izoenropické vykazují vyšší ermickou účinnos než kapaliny mokré. Jedním z ěcho důvodů je fak, že obě yo kapaliny nezkondenzují při průchodu urbínou, na rozdíl od kapaliny mokré. Přebyek epla páry je následně využi v regeneráoru. U mokrých kapalin míří expanze do oblasi mokré páry. Z ohoo důvodu se v případě výběru mokré kapaliny využívá přehřáí éo kapaliny a následné ukončení expanze na mezi syosi páry, nebo max. v oblasi mokré páry (dle koncepce navržené urbíny). Nízký bod uhnuí, vysoká sabilia eploy na rozdíl od vody, organické kapaliny obvykle podléhají chemickému zhoršování kvaliy ekuiny vlivem vysokých provozních eplo. Maximální eploa epelného zdroje je ak limiována chemické sabiliě pracovního média. Bod uhnuí pracovního média by měl bý nižší než jeho nejnižší eploa v pracovním cyklu. Vysoká eploa vypařování a husoa kapaliny s vysokým výparným eplem a husoou absorbují ve výparníku daleko více energie ze zdroje epla, čímž se sníží požadovaný průok, velikos zařízení a aké spořeba napájecího čerpadla. Dopad na živoní prosředí hlavními paramery, keré se berou v úvahu při výběru, jsou: nízký dopad na globální oeplování a omezení poškození ozónové vrsvy. Bezpečnos kapalina by měla bý nekorozivní, nehořlavá a neoxická. Úroveň nebezpečnosi kapaliny může bý indikována dle bezpečnosní klasifikace ASHRAE. Dobrá dosupnos a nízké pořizovací náklady Přijaelné laky Veškeré kapaliny využívající se v ORC zařízeních mají rozdílné účinnosi cyklu za dané eploy. Obr. 4.2 η-t diagram různých pracovních médií [13] 32

33 5 POPIS PROJEKTU ORC CYKLU Cílem projeku má bý návrh kogenerační jednoky s použiím organického Rankinova cyklu, s využiím odpadního epla z ohoo zdroje pro sušení dřevěných pilin k následnému zpracování éo suroviny do formy ekopaliv. 5.1 VÝBĚR KOGENERAČNÍ JEDNOTKY Při výběru kogenerační jednoky, edy horkovzdušného kole, ORC jednoky a pásové sušárny je brán zřeel především na pořizovací cenu, účinnos jednolivých zařízení, jejich živonos a následný ekonomický provoz. V případu horkovzdušného kole je možnos výběru značně omezená z důvodů ekonomického provozu, souvisejícího s možnosí čerpání finanční podpory z kombinované výroby elekrické a epelné energie dle národních podpor. Po konzulaci s invesorem se dospělo k závěru, že v horkovzdušném koli insalovaném v ČR bude spalována doovaná biomasa řídy O2. Too rozhodnuí, spolu s fakem že invesor s ímo výrobcem dlouhodobě spolupracuje, nás vede k výběru horkovzdušného kole od uzemské společnosi FIEDLER. Při výběru ORC jednoky hraje hlavní roli pořizovací cena, účinnos, živonos a hospodárnos provozu. Při průzkumu rhu s ORC echnologiemi bylo nalezeno 8 výrobců ORC jednoek se zasoupením daných společnosí českými firmami. Po obdržení nabídek jednolivých echnologií byly vybrány 2 jednoky, z nichž byla po osobní návšěvě referenčních insalací vybrána ORC jednoka holandské společnosi TRI-O-GEN, zasoupená v ČR společnosí B:POWER. Tao jednoka byla vybrána především z důvodů vyšší účinnosi, kvalinějšího propracování, a především referenci insalovaných echnologií v ČR, ale i v zahraničí. Výběr eplovodní pásové sušárny byl zjednodušen ze zadání invesora projeku, jelikož podobný průzkum rhu již provedl při realizaci předchozích výrobních závodů ohoo charakeru. Proo edy byla oslovena jediná firma, a o společnos PAWLICA zasupující v ČR pásové sušárny německé společnosi STELA Laxhuber. 6 TECHNICKÝ POPIS V éo kapiole budou deailněji popsány echnologická zařízení vybraná pro realizaci projeku ORC cyklu. 6.1 HORKOVZDUŠNÝ KOTEL Auomaické eplovzdušné kole společnosi FIEDLER ZDENĚK spol. s r.o. spalující dřevní biomasu paří v dnešní době k špičkám na evropském rhu. Tyo kole se nejčasěji využívají k insalacím spojeným se sušením v bubnových sušárnách BS6, keré dříve sloužily v zemědělsví jako sušárny sezónních plodin. V současné době se však saly velmi oblíbeným epelným celkem pro sušení dřevní biomasy (především dřevěných pilin) pro následnou výrobu dřevěných ekopaliv. Všechny kole jsou vybaveny plně auomaickým řízením, jež umožňuje docíli koninuálního provozu s minimální dobou odsávek. Palivem pro eno koel může bý drobný dřevní odpad ve formě pilin, šěpky či drobných odřezků dřeva do maximální velikosi 30 x 50 x 30 mm, s maximální vlhkosí do 40 %. Pro zaručení koninuálního provozu umísťuje výrobce mezi dopravní cesy kooučový řídič, kerý vyloučí s palivové cesy případné věší kusy, keré by mohly děla dále problémy v provozu. [14] 33

34 Obr. 6.1 Pohled na posuvný roš kole (ukázka spalování) [14] POPIS SPALOVÁNÍ Součásí každého kole musí bý palivový zásobník. Velikos ohoo zásobníku se volí dle výkonu eplovzdušného kole. Pro koel výkonu 2,2 MW byl navrhnu zásobník s hydraulickým vybíráním o objemu 100 m 3. Teno zásobníku bude umísěn v ěsné blízkosi kole a bude zásobován dřevní šěpkou z palivových boxů eleskopickým nakladačem. Palivo edy bude vybíráno s pomocí hydraulicky ovládané posuvné podlahy zásobníku do sběrného šnekového dopravníku. Pod ímo dopravníkem bude umísěn kooučový řídič pro odsranění příliš velkých kusů šěpky, jež by dělaly problém v dalších cesách. Pod kooučovým řídičem bude připojen sběrný šnekový dopravník, kerý je lemo uložený ke svislému šnekovému dopravníku. Teno dopravník vynese palivo do příslušné výšky a roující koncová lopaka jej nasměruje do šnekového dopravníku jdoucího k palivové šachě. Tao šacha je osazena klapkou proi zpěnému zahoření paliva a auomaickým zhášecím sysémem, kerý je nezávislý na elekrické energii. V případě prohoření paliva ze spalovacího prosoru do dávkovacího šnekového dopravníku, dojde k zalií vniřního prosoru ohoo dopravní a ím k uhašení hořícího paliva. Dávkovací dopravník rovnoměrně dávkuje palivo na liinový posuvný roš v jeho nejvyšší čási. Na omo rošu následně dochází k posupnému vysoušení, zapálení, hoření a dohořívání paliva při současném posunu paliva po rošu díky hydraulickému posuvu rošnic. Množsví paliva, jež je dopravováno na roš, je řízeno auomaikou kole dle jeho současného zaížení. Pro dokonalé spalování paliva je celá spalovací komora vyzděna ze speciálních šamoových cihliček a varovek. Kombinace vhodné geomerie spolu s dlouhou dráhou pro dohoření spalin dodává procesu spalování záruku dokonalého spalování s ohledem na co nejnižší emise. Spaliny vzniklé hořením následně prochází směšovací komorou, kerá je akéž vyzděna z šamoových cihliček. V éo komoře dochází k přisávání vnějšího vzduchu pro dosažení opimální eploy spalovacího vzduchu. Spaliny spolu s přisáým vzduchem vychází ze směšovací komory dále do dohořívací komory, ve keré se odloučí zbylé nedohořelé jiskry spolu s pevným úleem, održeným ze spalovací komory vlivem silného proudění vzduchu pro spalování. 34

35 Obr. 6.2 Foo horkovzdušného kole výkonu 2,2 MW [14] KOMPONENTY Celá epelná echnologie se skládá z ěcho následujících komponen: Palivová šacha ao šacha je osazena: o klapkou proi zpěnému zahoření o zhášecím zařízením připojení k vodovodnímu řádu s lakem min. 1,5 bar Dávkovací šnekový dopravník pro daný výkon byl zvolen dopravník s průměrem šnekovnice 200 mm a soupáním 200 mm Kolové ěleso mohuný svařenec, uvniř dokola vyzděný z šamoových cihel o pohyblivý roš z liinových článkových rošnic o veniláory vzduchu čás vzduchu je vedena pod rošy jako primární vzduch, čás je vedena do rysek jako sekundární vzduch o směšovací komora vyzděná ze šamoových cihliček o auomaické odpopelnění rošu, i prosoru pod ímo rošem Teplovodní výměník výkon výměníku je dimenzován na 1,3 MW o koncepce výměníku žárorubnaý Propojovací díl díl pro propojení kole s dohořívací komorou o vyzděný z šamoových cihel o osazen odbočkou pro spalinové porubí ORC jednoky Dohořívací komora mohuný svařenec, uvniř dokola vyzděný z šamoových cihel. o auomaické odpopelnění dohořelých uhých zbyků o revizní dveře 35

36 Obr. 6.3 Projekční schéma horkovzdušného kole s dohořívací komorou [14] TECHNICKÉ PARAMETRY KOTLE Jmenoviý výkon kole 2,2 MW Druh paliva nekonaminovaná dřevní hmoa piliny, hobliny, šěpka Maximální rozměry paliva 30 x 50 x 30 mm Maximální vlhkos paliva do 40 % vlhkosi Regulace výkonu auomaická od 30 % jmen. výkonu (min. výkon) do 100 % výkonu (jmen.výkon) Účinnos kole 88 / 86 % (minimální / jmenoviý výkon) Spořeba paliva 792 kg/hod (při jmen. výkonu a výhřev. Paliva 10 MJ/kg 36

37 Objem provozního zásobníku paliva 100 m 3 Min. eploa spalin 250 C (na výsupu z kole) Max. eploa spalin 650 C (na výsupu kole) Celková hmonos kg (včeně dohořívací komory) Maximální hladina hluku do 75 db El. napěí 3 x 400 / 230 V 50 Hz Max. elekrický příkon 18,6 kw Kryí el. čásí IP 44 Třída kole 3 (dle ČSN EN 303-5) Prosředí základní AA5 / AB5 (dle ČSN ) Tah rozápěcího komínu min. 10 Pa Svělos výsupní příruby spalin 550 x 700 mm (na dohořívací komoře) Průměr havarijního eplovodu min. 450 mm 6.2 ORC JEDNOTKA Základním principem ORC jednoky společnosi B:POWER je přeměna epelné energie na energii elekrickou. K éo přeměně lze využí různých druhů epelných zdrojů, pro všechny zdroje však plaí minimální eploa daného zdroje, kerá by měla bý vyšší jak 350 C. Teplo je zde využio k ohřevu pracovního média ORC jednoky, jenž je v sysému hermeicky uzavřeno k pohonu urbíny a ím i výrobě elekrické energie. Přenos epla se provádí pomocí výměníku epla umísěného za hlavní skříní ORC jednoky. Tao jednoka by měla bý nainsalována co možná nejblíže ke zdroji epla z důvodu omezení vzniku enormních epelných zrá. Spaliny vycházející z epelného výměníku mají přibližně eplou okolo 180 C, dle přání zákazníka je však možné jejich eplou i zvýši, pro případ dalšího využií spalin. Po průchodu výměníkem se sníží pouze eploa spalin, jejich obsah zůsane zachován PROVOZ ORC JEDNOTKY Po připojení ORC jednoky ke zdroji epla je již její provoz plně auomaický. Jakmile je dosupné eplo, jednoka se sama zapne, jakmile se zdroj epla z jakéhokoliv důvodu sníží, či úplně přesane proudi, jednoka se sama zasaví. Provoz éo jednoky může řídi vzdáleně operáor, nebo obsluha, jenž si na řídícím panelu přepne mód do ručního provozu. Zaznamenávání provozních hodno, provozních savů, ale aké např. sledování eplo, laků apod. je u éo jednoky zabezpečeno online komunikací s operačním cenrem výrobní či provozující společnosi. V pracovní skříni je osazen vysoko rychlosní urbo generáor spolu s ovládací skříní. Řídící rozvaděč je osazen poblíž pracovní skříně PRACOVNÍ CYKLUS JEDNOTKY Organický Rankinův cyklus pracuje na sejném principu jako parní R-C cyklus. Avšak voda a pára je v omo cyklu nahrazena pracovním médiem, kerému vyhovují nižší provozní eploy, a je určeno spíše pro menší výrobní jednoky. Tao jednoka využívá jako pracovní médium organickou kapalinu, oluen, využielnou pro zdroj epla v rozsahu eplo od 350 C do 600 C. Její proces je ilusrován v základním schémau oběhu. 37

38 Obr. 6.4 Základní schéma oběhu ORC jednoky [15] I. Základními komponeny v sysému jsou čerpadla, výměníky epla, spojovací porubí a vysoko rychlosní urbo generáor. II. Čerpadlový sysém se skládá ze dvou odsředivých čerpadel zapojených v sérii. První čerpadlo, napájecí čerpadlo, je elekricky řízeno a plní druhé čerpadlo, hlavní čerpadlo. Hlavní čerpadlo je umísěno na sejné hřídeli jako urbína, a proo je poháněno urbínou. Díky éo konfiguraci je zajišěno sálé řízení laku v sysému, proože pokud není urbína v chodu, není v chodu ani čerpadlo a v celém sysému je ak nízký lak. III. Napájecí čerpadlo dopravuje pracovní kapalinu z napájecí nádrže přímo do hlavního čerpadla. Kapalina vycházející z ohoo čerpadlo mívá lak přibližně 4 bary. Hlavní čerpadlo eno lak zvýší až na 33 bar v závislosi na rychlosi oáček urbíny. Rychlos oáček urbíny je řízena na základě vsupní eploy. IV. Hlavní čerpadlo čerpá pracovní kapalinu do rekuperáoru ješě před ím, než se vchází do výparníku. V rekuperáoru se ao kapalina předehřívá od páry vysupující z urbíny. 38

39 V. Z rekuperáoru je kapalina vedena dál do výparníku, kde se ješě z čási předehřeje, následně odpaří v páru a čásečně ji i mírně přehřeje. VI. Z výparníku jde pára přímo na urbínu, zde expanduje a ím rozočí urbínu, kerá pak následně pohání elekrický generáor a hlavní čerpadlo. VII. Vyexpandovaná pára z urbíny dále prochází skrze rekuperáor, kde předehřívá pracovní kapalinu. VIII. Posledním krokem v procesu je kondenzace páry ve vodou chlazeném kondenzáoru, před ím, než je navrácena zpě do napájecí nádrže. Obr. 6.5 Popis hlavních komponen ORC jednoky [15] POPIS ZAŘÍZENÍ ORC jednoka je sesavena z mnoha čerpadel, filrů, nádrží, vysoko rychlosního urbo generáoru a spojovacího porubí. 39

40 Obr. 6.6 Projekční schéma zapojení ORC jednoky s příslušensvím [15] 40

41 ZDROJ TEPLA Jako zdroj epla budou využiy horké spaliny, zbavené nežádoucích nedohořelých úleů z kole. Tyo spaliny se přivádí a přemění v sysému ORC jednoky do užinějších forem, a o především elekrické energie a epla. Typickým přívodem spalin do jednoky je přívod z jednoho zdroje, může však bý i dvou zdrojový, např. při využií odpadního epla spalin z dvou kogeneračních jednoek bioplynových sanic. Využií jednoho zdroje epla Obr. 6.7 Schéma využií epla z jednoho zdroje [15] Teno sysém aké může bý vybaven moýlí klapkou na vsupu do ORC jednoky. Využií dvou zdrojů epla Obr. 6.7 Schéma využií dvou zdrojů epla [15] 41

42 Čási spalinového sysému Spalinový sysém se obvykle skládá z následujících komponen: o Vzduchem řízené redukční klapky vybaveny pohonem vybaveny čidlem koncové polohy o Veniláor redukčního vzduchu o Vzduchem řízené moýlové klapky v komíně vybaveny pohonem vybaveny čidlem koncové polohy o Kompenzáory o Venily pro redukční vzduch vybavené pohonem o Zpěný venil pro redukční vzduch o Snímač laku pro regulaci redukčního vzduchu o Vypoušěcí mísa Rychlos spalin o Rychlos v porubí mezi 20 až 25 [m s -1 ] KLAPKY Obecně všechny klapky použié ve spalinovém porubním sysému musí splňova následující požadavky: Typ vzduchem ovládané Umísění ložisek mimo kry venilu a mimo izolaci Maeriál klapek korozivzdorný, obvykle z nerezové oceli 316L Pracovní eploa 550 C Řídící elekronika mimo kry venilu a mimo izolaci Z důvodu ochrany ložisek proi kondenzáu ze spalin musí bý osa hřídelek spalinových klapek umísěna v horizonálním směru. Obvykle jsou klapky vzduchem poháněné, množsví sysémového vzduchu je vysoce odvislé od návrhu dodávky epla. Obr. 6.8 Vzduchem řízená moýlí klapka [15] 42

43 T-kus s klapkou v horní čási je zpravidla umísěn přímo na spalinovém porubí umísěném co nejblíže ke zdroji epla. Vodorovné porubí s izolací již směřuje k výparníku ORC jednoky. Vzduchem řízená bránící klapka Obr. 6.9 Deail vzduchem řízené bránící klapky [15] Tao klapka je v podsaě dvoj klapkou umísěnou ve sejném pouzdře, přičemž při uzavření jedné z klapek dojde auomaicky k uzavření klapky druhé, jelikož jsou mezi sebou navzájem propojeny. V případě uzavření klapek dojde k nalakování prosoru mezi ěmio klapkami vzduchem z veniláoru, neboť by při použií pouze jednoho epelného zdroje mohlo docháze k samovolnému úniku spalin z výparníku zpě k odsavenému zdroji. Veniláor bránícího vzduchu ORC jednoka používá k vyvoření přelaku bránícího vzduchu mezi klapkami veniláor s následujícími paramery: 43

44 Těsnění o Průok vzduchu m3 hod o Celkový lak Δp 51 mbar o Elekrický příkon 2,2 kw Těsnění klapek by mělo vyhovova ěmo paramerům: o Maeriál ěsnění epelně odolný, korozivzdorný o Pracovní eploa 550 C ORC jednoky TRI-O-GEN používají ěsnění Mica KOMÍN Komín je pro každou insalaci specifický. Jeho rozměry závisí jak na popávce invesora, ak na dané legislaivě příslušného sáu. Zpravidla bývá: Rychlos spalin mezi 20 až 25 m s -1 Výšku 10 m Průměr 400 mm Maeriál epelně odolný, korozivzdorný, obvykle z nerezové oceli 316L Pracovní eploa max. 300 C BY-PASS SPALIN Jednoka je již v základu vybavena By-passem výparníku umísěným v horní čási, jež umožňuje obok spalin v případě přebyku odpadního epla. Spaliny poom prochází míso přes výparník rovnou do komína. Obr Schéma by-passu výparníku a deail komínu [15] 44

45 KOMPENZÁTORY Spaliny o vysoké eploě proudící porubím k výparníku způsobují dilaace na omo porubí. Z oho důvodu musí bý porubí mezi zdrojem epla a samoným výparníkem osazeno kompenzáory pro pohlcení epelné rozažnosi maeriálu porubí. Průměr 400 mm Min. příčný pohyb 25 mm Min. podélný pohyb 71 mm SPALINOVÝ SYSTÉM Obr Deail kompenzáoru [15] Maeriál porubí epelně odolný, korozivzdorný, obvykle z nerezové oceli 316L Pracovní eploa spalinové porubí 550 C komín 300 C Spojovací maeriál epelně odolný, korozivzdorný, obvykle z nerezové oceli Během najíždění a chlazení jednoky může u spalin docháze k podkročení eploy rosného bodu a ím edy k vorbě kondenzáu. Odvod kondenzáu musí bý řešen především pro: Výparník Komín Sysém bránícího vzduchu Spaliny procházející porubním sysémem, výparníkem a následně komínem mají oproi hodnoám laku na výsupu ze zdroje jisou lakovou zráu. Tao zráa je v každém zařízení jiná: Výparník 15 mbar Komín bez lumiče hluku 3 mbar Komín s lumičem hluku 6 mbar IZOLACE Spalinové porubí musí bý dobře izolováno, aby se co nejvíce omezily epelné zráy a aké z bezpečnosního hlediska, aby se o porubí nikdo nespálil. Teploa na povrchu izolace by neměla bý vyšší jak 50 C Teploní zráa spalin v porubí by neměla bý vyšší jak 5 C 45

46 CHLAZENÍ Výrobní proces ORC jednoky vyžaduje chlazení pracovní kapaliny. Too chlazení zabezpečuje chladící kondenzáor, jenž je ukryý uvniř pracovní skříně. Chladicí kapalina použiá k chlazení pracovní kapaliny bývá obvykle demineralizovaná voda, případně směs vody s glykolem. Teplo předané z pracovní kapaliny kapalině chladící bude využio pro sušení dřevěných pilin v pásové sušárně. Jsou však případy, kdy je v mísě insalace jednoky ohoo epla příliš mnoho. V omo případě se využívá maření epla ve vzduchových chladičích, keré jsou součásí dodávky ORC jednoky pro případ havarijního chlazení. Typický havarijní chladicí sysém. Výkon ORC jednoky je odvislý od chlazení. V případě nedosaečného chlazení se sníží i výrobní produkce jednoky. V případě přehřáí jednoky z důvodu nedosaečného odvodu epla dojde k auomaickému odsavení jednoky. Chladicí sysém se obvykle skládá z ěcho součásí: Čerpadlo Vzduchový chladič Porubí Venily Expanzní nádoba Odvzdušňovací venily Vyrovnávač hydraulického laku, ad. Obr Schéma vzduchového chladiče vč. armaur [15] ORC jednoka využívá uzavřený chladicí sysém. Typickou chladicí kapalinou je směs vody a glykolu, kerá má bod uhnuí při -26 C. Tao eploa se však mění v závislosi na mísě insalace. Při jmenoviém elekrickém výkonu jednoky je řeba chladi přibližně 700 kwh. Přičemž eploa kapaliny vysupující z jednoky bude 80 C ± 10 % a uo kapalinu je řeba zchladi na 60 C ± 10 %. 46

47 Venil By-passu By-pass musí bý nainsalován co nejblíže sací sraně čerpadla. Celková délka porubí by neměla přesahova 100 m, jelikož s délkou porubí narůsá i laková zráa v porubí a bylo by ak řeba insalova čerpadlo věšího příkonu. Obr Deail by-passu chlazení [15] Před samoným spušěním chladícího zařízení a edy i spušěním ORC jednoky musí bý důkladně propláchnuý celý porubní sysém čisou vodou, kerá nám vyplaví případné zracené předměy z monáže, či nečisoy usazené z procesu výroby jednolivých komponen VĚTRÁNÍ Prosor pracovní skříně jednoky je koninuálně věrán nuceným oběhem z důvodu chlazení éo skříně a současně z důvodů bezpečnosních. V případě umísění jednoky ve vniřních prosorech, musí bý přiveden nasávací vzduch z vnějšího okolí. Pro oo připojení se využívá hladkého porubí Spiro o svělosi 200 mm. Obr Deail pracovní skříně s věracím porubím [15] 47

48 V případě přívodu vzduchu z vnějšího prosředí jedním porubím, volíme oo porubí svělosi 300 mm. Obr Schéma svělosi věracího porubí [15] Výsupní porubí (pouze v případě vniřního umísění) Pro umísění jednoky do vnějšího prosředí, je ao jednoka osazena výdechovou mřížkou, ze keré proudí věrací vzduch do okolního prosředí. Při umísění do vniřních prosor, musí bý odveden věrací vzduch mimo oo prosředí. Zpravidla se na o používá hladké porubí Spiro svělosi 200 mm MEMBRÁNY Pro případ neplánovaného navýšení laku v sysému je ORC jednoka vybavena membránami s odvodným porubím. Tyo membrány by se při velkém laku rozrhly a umožnily by ak odvod oluenu ven, mimo vniřní prosory pracovní skříně. Obvykle bývá porubí připojeno ke komínu (z bezpečnosních důvodů). Nízký lak Vysoký lak Odvodné porubí o Připojovací příruba DN25, PN40 DIN 2635 o Pracovní eploa 250 C o Pracovní lak 10 bar o Připojovací příruba DN25, PN100 DIN 2637 o Pracovní eploa 350 C o Pracovní lak 45 bar o Průměr odvodného porubí 2 o Flexibilně připojené k jednoce o Min. výška vývodu porubí dle legislaivních požadavků 6 m o Na výsupní čási osazené sříškami proi deši 48

49 TLAKOVÝ SYSTÉM Řízení veškerých spalinových klapek, ale i venilů uvniř pracovní skříně, se provádí slačeným vzduchem. Proo musí bý jednoka vybavena lakovým sysémem s kompresorem a rozvody vzduchu. Paramery o Připojovací porubí na sraně ORC průměru 22 mm o Tlak v sysému 10 bar o Průok min. 6 l min -1 Obr Deail kompresoru [15] Při poklesu laku na 6 bar dojde auomaicky k odavení jednoky. Z ohoo důvodu by měl bý v sysému osazen kompresor s věším vzdušníkem vč. sušičky vzduchu pro dodržení požadované suchosi vzduchu 98 % a vč. odlučovače oleje VAKUOVÝ SYSTÉM ORC jednoka je vybavena vakuovým sysémem, kerý má odsá nekondenzující plyny z prosor éo jednoky. Při umísění jednoky ve vniřních prosorech se musí yo plyny odvádě do venkovního prosředí DUSÍKOVÝ SYSTÉM Dusík se používá pro vakuový sysém a běžnou údržbu. Součásí dodávky je 10 lirová láhev s dusíkem, kerá je uchycena k bočnici, uvniř pracovní skříně. Pro připojení je zapořebí speciální venil, kerý je součásí jednoky. Obr Foo pracovní skříně ORC jednoky [15] 49

50 6.3 PÁSOVÁ SUŠÁRNA Mezi nejznámější pásové sušárny na piliny a dřevní šěpku paří sušárny německé firmy STELA-Laxhuber, kerou v ČR zasupuje firma PAWLICA s.r.o. Principem ěcho sušáren je využií nízké eploy sušení a velkého objemu proudícího vzduchu. Díky omuo principu sušení je zaručena nejvyšší kvalia usušených surovin, jako jsou např. dřevěné piliny či dřevní šěpka. Jako opné médium se nejčasěji používá horká voda nebo pára, kerá prochází skrze eplovzdušný výměník. Je možné však využí i nepřímého ohřevu pomocí hořáků na LTO, propan buan či zemní plyn. Pásové sušičky STELA se díky své konsrukci a principu nízkoeploního sušení saly vhodným doplňkem při využívání odpadního epla jako chladící věže ke kogeneračním elekrárnám na biomasu, nebo kogeneračním jednokám bioplynových sanic. Výkony akovýcho sušáren se pohybují od 1 do 50 h -1. [16] POPIS SUŠENÍ Princip sušení je jednoduchý, mokrá biomasa se s pomocí dvou šnekových dopravníků a nasavielného hradíka rovnoměrně rozprosře po celé šíři sušícího pásu (prodyšný pás vyrobený z polyeserových kaných vláken). Teno pás je naažený skrze epelně izolovaný sušící unel, jenž je včeně rámu vyroben z galvanizované oceli. Ve sropě sušárny jsou nad ímo pásem umísěny eplovodní výměníky vyhřívané vodou o eploě 90 C a pod pásem je umísěn unel jdoucí až k odsávacímu veniláoru. Venkovní vzduch je edy nasáván přes yo výměníky a prochází skrze biomasu na páse, kde jí odebírá vlhkos, a eno vlhký vzduch je pak podlakem vysáván veniláorem a skrze komín vypoušěn do ovzduší. Na konci pásu je pod jeho oočí umísěn vynášecí šnekový dopravník spolu s vlhkoměrnou sondou pro auomaickou regulaci výsupní vlhkosi maeriálu (změnou rychlosi pásu). Výhodou éo sušárny je nenapalování biomasy a zanechání čisé svělé suroviny pořebné např. k výrobě dřevěných pele či brike. Nevýhodou je však vyšší pořizovací cena zařízení, velký příkon veniláoru a celkově vyšší měrná spořeba epla. Obr Foo pásové sušárny STELA-Laxhuber [17] KOMPONENTY Součásí dodávky pásové sušárny jsou následující komponeny: 50

51 Sušící unel Sěny, podlaha a srop unelu jsou vyrobeny z galvanizovaného plechu. Teno unel je osazen na rámu vyrobeném z éže oceli. Odsávací porubí vzduchoechniky je vyrobeno z vrzeného hliníku. Tunel je osazen konrolními ovory ke konrole plnění a následného vyprazdňování maeriálu. Plasový prodyšný pás Teno pás je vyroben z polyeserových kaných vláken do formy oček. Součásí dodávky pásu je napínací a hnaný válec spolu s podpěrnými válci osazenými v sušícím unelu. Pohon pásu je zaručen moorem s převodovkou řízeným přes frekvenční měnič. Ohřev vzduchu Venkovní vzduch je ohříván skrze eplovodní výměníky. Požadovaný zdroj epla pro výměníky činí 2 MW (při eploě vzduchu -10 C až 2,5 MW). Paramery vody: o Vsup 90 C o Výsup 70 C Pro zimní provoz je řeba použí směsi vody a glykolu. Veniláor Radiální veniláor VREV, připojení skrze pružné manžey jak na sraně sání, ak na sraně výlaku. Ukovení veniláoru na základním rámu přes pružné lumiče vibrací. Paramery mooru: o Třífázový moor výkonu 75 kw, 980 o min -1 o Ovládaný frekvenčním měničem pro opimální řízení Plnící a disribuční sysém Maeriál je přiveden do plnící násypky, odkud je již auomaicky roznesen po sušícím páse, řízení roznášecích šnekových dopravníku je zajišěno frekvenčním měničem. Roorový obraceč Slouží k promíchání sušeného maeriálu během sušícího procesu. Výsledkem je rovnoměrné vysušení celé vrsvy maeriálu. Možnos nasavení výšky obracené vrsvy. Vyprazdňovací šnekový dopravník Zajisí vyprázdnění usušeného maeriálu na konci sušícího unelu. Konrola pásu Sysém senzorů bočního vedení pásu s auomaickou korekcí vedení pásu při ujíždění pásu do sran. Regulace rychlosi posunu pásu pro dosažení požadovaných paramerů na konci sušení. 51

52 Zhášecí sysém Sysém měření výsupní eploy vzduchu na několika mísech sušícího unelu, včeně auomaického spušění kropení pásu vodou v celé šíři sušícího pásu. Sysém mokrého čišění pásu Vhodný sysém do koninuálních provozů, kde je brán zřeel na kvaliu sušeného maeriálu. Sysém pracuje s vysokolakou vodou, kerá omývá polyeserový pás v celé jeho šíři. Paramery: o Vysokolaké řísupňové čerpadlo o příkonu 11 kw Sysém suchého čišění pásu Vhodný sysém spolu s mokrým čišěním. Vzduch se přivádí do vysokolakých čisících rysek z důvodu uvolnění nalepených zbyků sušené suroviny z pásu. Paramery: o Vysokolaký veniláor výkonu 7,5 kw Auomaická regulace vlhkosi Koninuální měření vlhkosi výsupního usušeného maeriálu. Přesnos měření ±0,2 % TECHNICKÉ PARAMETRY SUŠÁRNY Paramery jsou voleny dle pořeb invesora a dle epelných výkonů Surovina: Sušící unel: o Vsupní maeriál dřevěné piliny o Hmonosní průok na vsupu kg/hod o Hmonosní průok na výsupu kg/hod o Vlhkos vsupní suroviny 45 % o Vlhkos výsupní suroviny 10 % o Odpařená voda kg/hod o Měrná hmonos na vsupu 260 kg/m 3 o Průměrná doba sušení 25 až 30 minu o Výška sušícího polšáře 120 mm o Efekivní sušící plocha cca. 42 m 2 o Prašnos na výsupu do 10 mg/m 3 vzduchu o Nasávaný vzduch eploa 10 C relaivní vlhkos 50 % 52

53 Elekrické příkony: o Veniláor odsávání o Pohon pásu o Roznášecí zařízení o Obraceč vrsvy o Vyprazdňovací šnekový dopravník o Čerpadlo mokrého čišění o Čerpadlo suchého čišění Celkem 75 kw 1,1 kw 11 kw 0,55 kw 3 kw 11 kw 7,5 kw cca. 109,15 kw 1 roznášecí šnekové dopravníky, 2 vrsva sušícího maeriálu, 3 roorový obraceč, 4 vyprazdňovací šnekový dopravník, 5 sysém suchého čišění pásu, 6 veniláor čisícího sysému pásu, 7 polyeserový pás, 8 sysém mokrého čišění pásu, 9 eplovodní výměníky, 10 přívod a odvod vody do výměníků, 11 přívod čersvého vzduchu, 12 čersvý vzduch, 13 ohřáý vzduch, 14 odsávaný vlhký vzduch, 15 odsávací veniláor, 16 výfuky odsávaného vzduchu, 17 sysém konroly vyhnuí pásu, 18 vchod do výměníkového prosoru sušárny, 19 konrolní ovor Obr Foo pásové sušárny STELA-Laxhuber [18] 53

54 7 BILANČNÍ SCHÉMA V éo podkapiole bude proveden projekční návrh oběhu nasimulovaný dle dosupných informací ORC jednoky a dopočíaných hodno v programu FluidProp. Pro porovnání a zároveň i prezenování vhodnosi použií regeneráoru v oběhu budou uvedeny variany oběhu bez regenerace a s regenerací. Výpočy jsou zjednodušeny v rámci projekčního programu Cycle Tempo. Tzn., že např. neuvažujeme zráy a expanze probíhá na mezi syosi páry. 7.1 ORC OBĚH BEZ REGENERACE Teno oběh se skládá z výparníku spaliny/oluen, urbíny, kondenzáoru a oběhového čerpadla. Zvolené hodnoy laků a účinnosí pro simulaci oběhu vychází ze známých paramerů ORC jednoky. Sekundární srana kondenzáoru je navržena ak, aby odpadní eplo bylo možné nadále využí k procesu sušení vsupních surovin invesora. Zvolené paramery pro výpoče jsou uvedeny níže. Zvolené paramery o Tlak kondenzace p1 p4 4 [bar] o Výparný lak p3 p2 33 [bar] o Účinnos čerpadla ηč 80 [%] o Účinnos urbíny η 70 [%] o Mech. el. účinnos čerpadla ηčm,el 85,5 [%] o Mech. el. účinnos generáoru ηgm,el 95 [%] o Výkon spalin Q 900 [kw] Bod 1 před oběhovým čerpadlem p 4 [bar] 1 ( ; 1 f p1 x 0) 167, 05 [ C] h ( ; 1 f p1 x 0) 137, 11 [kj kg -1 ] s f p x 0 0, [kj kg -1 K-1 ] ( ) 34 ; 1 1 Bod 2 za oběhovým čerpadlem p 33 [bar] 2 h 2iz f ( p 2 ; s 1 ) 133, 09 [kj kg -1 ] o Výpoče účinnosi čerpadla ačiz h2iz h1 η č h2 [-] (7.1) a h h č 2 1 ( 137,11) h2iz h1 133,09 h2 + h1 η 80 č + ( 137,11) 132, 09 [kj kg -1 ] 100 ( 2 f p2 h2 ) 168, 98 [ C] o Výpoče měrné práce čerpadla 54

55 ( 137,11 ) 5, 03 a č h2 h1 132,09 [kj kg -1 ] Bod 3 před urbínou p 33 [bar] 3 f p x 1 300, [ C] ( ; 3 ) 23 ( p ; 3 1) 357, 63 ( p 1) 0, f x ; 3 f 3 x h [kj kg -1 ] s [kj kg -1 K -1 ] Bod 4 za urbínou p 4 [bar] 4 h 4 iz f ( p 4 ; s 3 ) 278, 69 [kj kg -1 ] o Výpoče účinnosi urbíny a h3 h4 η h4 [-] (7.2) aiz h3 h4iz 70 h4 h3 η ( h3 h4iz ) 357,62 ( 357,62 278,69) 302, 37 [kj kg -1 ] 100 f p h 230, [ C] ( ) 79 ; Obr. 7.1 Q-T diagram kondenzáoru v oběhu bez regenerace o Výpoče měrné práce urbíny ( 302,37) 55, 26 a h3 h4 357,62 [kj kg -1 ] o Výpoče epelného výkonu výparníku Q m q [kw] (7.3) m 55

56 Q 900 m 1,838 [kg s -1 ] (7.4) q 489,71 o Výpoče přivedeného epla do oběhu q h h 357,62 132,08 489, [kj kg -1 ] ( ) o Výpoče výkonu čerpadla A č a č η m čm, el 5,03 1,838 10,8 85,5 100 [kw] (7.5) o Výpoče výkonu urbíny A a m 55,26 1, ,55 [kw] (7.6) o Výpoče elekrické účinnosi oběhu 95 A 101,55 10,8 η gm, el Ač η 100 el 9,58 [%] (7.7) Q 900 Obr. 7.2 Bilanční schéma ORC oběhu bez regenerace 56

57 7.2 ORC OBĚH S REGENERACÍ Oběh s regenerací se skládá z výparníku spaliny/oluen, urbíny, kondenzáoru, oběhového čerpadla a regeneráoru. Vložením regeneráoru zvýšíme eplou oluenu před vsupem do výparníku. Zvýšení eploy je parné z hodno uvedených níže. Zbylé hodnoy laků a účinnosí pro simulaci oběhu vychází ak jako u předchozího oběhu ze známých paramerů ORC jednoky. Sekundární srana kondenzáoru je opě navržena ak, aby odpadní eplo bylo možné nadále využí k procesu sušení vsupních surovin invesora. Zvolené paramery o Tlak kondenzace p1 p4 p41 4 [bar] o Výparný lak p3 p2 p21 33 [bar] o Rozdíl eploy oluenu v regeneráoru [ C] o Účinnos čerpadla ηč 80 [%] o Účinnos urbíny η 70 [%] o Mech. el. účinnos čerpadla ηčm,el 85,5 [%] o Mech. el. účinnos generáoru ηgm,el 95 [%] o Výkon spalin Q 900 [kw] Dále provedeme výpoče pouze zbylých hodno bodů 21 a 41, neboť předchozí hodnoy zůsávají sejné. Bod 21 před výparníkem , ,98 [ C] h 21 f ( p 21 ; 21 ) 26, 84 [kj kg -1 ] s f p 0, [kj kg -1 K-1 ] ( ) ; 21 Bod 41 před kondenzáorem o Výpoče epelného výkonu regeneráoru zráy ve výpoču neuvažujeme r r Qr m ( h4 h41) m ( h21 h2 ) h41 [kw] (7.8) m ( h21 h2 ) 2,341 ( 26,84 ( 132,09) ) h 41 h4 302,37 197,13 [kj kg -1 ] r m 2,341 ( ; 41 f p41 h41) 172, 01 r m h4 h41 2, ,37 197,13 [ C] ( ) ( ) 246, 37 Qr [kw] (7.9) o Výpoče epelného výkonu výparníku Q m q m [kw] (7.10) r r r r Q 900 m 2,341 [kg s -1 ](7.11) q 384,47 r o Výpoče přivedeného epla do oběhu q r h h 357,63 26,84 384, [kj kg -1 ] ( )

58 Obr. 7.3 Q-T diagram kondenzáoru v oběhu s regenerací Obr. 7.4 Q-T diagram regeneráoru o Výpoče výkonu čerpadla A r č ač m η čm, el r 5,03 2,341 13,76 85,5 100 [kw] (7.12) o Výpoče výkonu urbíny r r A a m 55,26 2, ,35 [kw] (7.13) o Výpoče elekrické účinnosi oběhu 58

59 95 r r A 129,35 13,76 η, A r gm el č η 100 el 12,12 [%] (7.14) Q 900 Obr. 7.5 Bilanční schéma ORC oběhu s regenerací 59

60 Obr. 7.6 Schéma epelné bilance projeku 60

61 8 NÁVRH VÝPARNÍKU TOLUENU 8.1 STECHIOMETRIE SPALIN Jako palivo pro horkovzdušný koel bude použia dřevní šěpka ěcho paramerů: Tab. 8.1 Zadané paramery paliva dřevní šěpky [19] Palivo dřevní šěpka Výhřevnos paliva Qi r kj kg -1 Obsah vody W r 42 % Obsah popelovin A r 2 % Obsah uhlíku C r 30,20 % Obsah vodíku H r 3,40 % Obsah kyslíku O r 22,15 % Obsah dusíku N r 0,23 % Obsah síry S r 0,01 % Obsah chlóru Cl r 0,01 % MINIMÁLNÍ OBJEMY VZDUCHU A SPALIN Minimální objem kyslíku ke spálení 1kg paliva: Vypočíané objemy jsou označeny jako minimální a jsou vyjádřeny v Nm 3 na 1 kg spáleného paliva. Nm 3 znamená mer krychlový při normálních podmínkách (273,15 C a p kpa). r r r r C H S prch O O 22, O2 min 12,01 4,032 32, ,302 0,034 0,0001 0, , ,01 4,032 32,06 32 O 0,5969 [Nm 3 kg-1 ] (8.1) O O 2 min O 2 min Minimální objem suchého vzduchu ke spálení 1kg paliva: O 0, min O min O VS 2,84 [Nm 3 kg-1 ] (8.2) 0,21 0,21 Tab. 8.2 Objemové složení suchého vzduchu [20] Složka Objemový podíl [-] Kyslík (O2) 0,21 Dusík (N2) 0,7805 Argon (Ar - vč. vzácných plynů) 0,0092 Oxid uhličiý (CO2) 0,

62 Podíl vodní páry na 1 Nm 3 suchého vzduchu ϕ p χ v 1+ [-] (8.3) 100 ϕ pc p 100 φ [%] relaivní vlhkos vzduchu p [MPa] parciální lak vodní páry na mezi syosi pro eplou v pc [MPa] celkový lak 0,1 MPa 1,016 Pro naše klimaické podmínky odpovídající φ 70 % a v 10 C je možné voli χv Minimální objem vlhkého vzduchu ke spálení 1 kg paliva O χ O 1,016 2,84 2,885 [Nm 3 kg-1 ] (8.4) VV min v VS min Objem vodní páry v omo objemu O OVV min OVS min ( v 1) O min ( 1,016 1) 2,84 0, 045 χ V H 2O VS V H O O [Nm 3 kg -1 ] (8.5) 2 Minimální objem suchých spalin z 1 kg paliva O + O SS min OCO + OSO + O 2 2 N 2 Ar O 0,56 + 0, , ,026 2,8 [Nm 3 kg-1 ] (8.6) SS min Objem CO2 O 22,26 12,01 22,26 C + 0,0003 O r CO2 VS min O CO 0, ,0003 2,84 0,56 [Nm 3 kg-1 ] (8.7) 2 12,01 Objem SO2 21,89 r 21,89 O SO S 0,0001 0, ,06 32,06 [Nm 3 kg-1 ] (8.8) Objem N2 O 22,4 28,016 22,4 N + 0,7805 O N2 r VS min O N 0, ,7805 2,84 2,218 [Nm 3 kg-1 ] (8.9) 2 28,016 62

63 Objem Ar O 0,0092 O min 0,0092 2,84 0,026 [Nm 3 kg-1 ] (8.10) Ar VS Minimální objem vodní páry S 44,8 r 22,4 r V OH O H + W + O 2 H 2O 4,032 18, 016 S 44,8 22,4 O H 0, ,42 + 0,045 0,945 2 O 4,032 18,016 [Nm 3 kg-1 ] (8.11) Minimální objem vlhkých spalin S O O + O 2,8 + 0,945 3,745 [Nm 3 kg-1 ] (8.12) SV min SS min H O 2 Objem spalin z 1kg paliva s přebykem vzduchu Součiniel přebyku spalovacího vzduchu volím α 1,5 O SV O + α ( ) O min ( 1,5 1) 2,885 5, 19 SV min 1 VV O 3,745 + [Nm 3 kg-1 ] (8.13) SV HUSTOTA VZDUCHU A SPALIN Husoa vzduchu ( χ 1) OVS min ρvs + v OVS min ρh2o ρvv OVV min 2,84 1,29 + ( 1,016 1) 2,84 0,81 ρ VV 1,28 [kg Nm -3 ] (8.14) 2,885 Husoa sechiomerických spalin Oi ρi OCO ρ 2 CO + O 2 SO ρ 2 SO + O 2 N ρ i 2 N + O 2 Ar ρ Ar + OH2 O ρh2 O ρsv min OSV min OSV min 0,56 1,98 + 0, ,93 + 2,218 1,25 + 0,026 1,78 + 0,945 0,81 ρ SV min 3,745 ρ 1,25 SV min [kg Nm -3 ] (8.15) 63

64 Husoa spalin s přebykem vzduchu α + ( α 1) OVV ( α 1) OVV min ( 1,5 1) 2,885 ( 1,5 1) 2,885 OSV min ρsv min min ρvv ρ SV OSV min + 3,745 1,25 + 1,28 ρ SV 1,258 3,745 + [kg Nm -3 ] (8.16) ENTALPIE VZDUCHU A SPALIN Úle popílku aú 50 % (výpoče proveden pro eplou okolí 20 C). Tab. 8.3 Měrné enalpie složek spalin [21] Pro nalezení enalpií spalin pořebných eplo je zapořebí inerpolace. I I eploa Enalpie složek spalin [ C] CO2 [kj m -3 ] N2 [kj m -3 ] H2O [kj m -3 ] SO2 [kj m -3 ] Ar [kj m -3 ] Suchý vzduch [kj m -3 ] Popílek [kj m -3 ] Tab. 8.4 Měrné enalpie složek spalin před a za výparníkem eploa Enalpie složek spalin [ C] CO2 [kj m -3 ] N2 [kj m -3 ] H2O [kj m -3 ] SO2 [kj m -3 ] Ar [kj m -3 ] Suchý vzduch [kj m -3 ] Popílek [kj m -3 ] ,8 312,8 367,6 479,2 222,8 320, ,8 652,1 778,1 1046,6 455,7 669,8 450,2 S min OCO ico + OSO iso + ON in + OAr iar + OH O i H 2 O S 240 0,56 437,8 + 0, ,2 + 2, ,8 + 0,026 + a 222, , ,6 + 0,5 0, I S ,25 [kj kg -1 ] (8.17) I S 490 0,56 971,8 + 0, ,6 + 2, ,1 + 0, , , ,1 + 0,5 0,02 450,2 I 2742,3 [kj kg -1 ] (8.18) S 490 ú A r i pop V IV min OVS min isv + OH O i 2 H2O V 240 2,84 320,8 + 0, ,6 V 490 2,84 669,8 + 0, ,1 I 927,6 [kj kg -1 ] (8.19) I 1937,25 [kj kg -1 ] (8.20) I, α S I + α S min ( 1) IV min + ( 1,5 1) 927,6 1758, 05 + ( 1,5 1) 1937, , 93, α I S ,25 [kj kg -1 ] (8.21), α I 2742,3 [kj kg -1 ] (8.22) S

65 I I 240 s 490 s I I, α S 240 V, α S 490 V M sp M sp pal hod pal hod 1758,05 858,7 143, ,93 858,7 301, [kj Nm -3 ] (8.23) [kj Nm -3 ] (8.24) 8.2 VÝPOČET VÝPARNÍKU Tab. 8.5 Hodnoy spalin k výpoču výparníku Enalpie spalin na vsupu do PG i1 301,99 [kj Nm -3 ] Enalpie spalin na výsupu z PG i2 143,07 [kj Nm -3 ] Objemový průok spalin Vsp [Nm 3 hod-1 ] Množsví přeneseného epla ve výparníku Q v Vsp ( i1 i2 ) m ( h3k h21 ) [kw] (8.25) 3600 Z rovnice (8.25) vypočíáme enalpii oluenu vysupujícího z výparníku h V sp 3600 ( i1 i2 ) h21 3k + m h k ( 301,99 143,07) 26,84 172, 14 2,341 [kj kg -1 ] (8.26) Pro konrolu vypočíáme a porovnáme eploy na výsupu z výparníku (v programu FluidProp). f ( p, 3 h3 ) 300, 3 ( p ) 300, 229 [ C] (8.27) 3 k k, 3 f 3 h3 [ C] (8.28) Teploy na výsupu z výparníku se liší o méně než 0,03 %. Můžeme edy uvažova s rovnosí, neboť rozdíl, kerý mezi eploami nasal je roven zráám NÁVRH GEOMETRIE VÝPARNÍKU Tab. 8.6 Zvolené hodnoy pro výpoče geomerie výparníku Vnější průměr rubky do 38 [mm] Tloušťka rubky 2,9 [mm] Vniřní průměr rubky d 32,2 [mm] Rychlos spalin wsp 25 [m.s -1 ] 65

66 Průočný průřez spalin rubkou 2 2 π d π 0,0322 A r 0, [m 2 ] (8.29) Poče rubek ve výparníku Vsp n r 143,97 w 3600 A , [ks] (8.30) sp Volím poče nr 144 [ks] Skuečná rychlos spalin r V sk sp w sp 24,99 [m s -1 ] (8.31) 3600 n A , r r VÝPOČET SOUČINITELE PŘESTUPU TEPLA Tab. 8.7 Teploy spalin před a za výparníkem Teploa spalin na vsupu do výparníku spin 490 [ C] Teploa spalin na výsupu z výparníku spou 240 [ C] Sřední eploa spalin spin + s spou sp 365 [ C] (8.32) 2 2 Součiniel epelné vodivosi spalin epelná vodivos pro sřední eplou spalin a obsah H2O. 3 λ sp 57, [W m -1 K-1 ] (8.33) Součiniel kinemaické viskoziy kinemaická viskozia pro sřední eplou spalin a obsah H2O. 6 ν sp 55, [m 2 s-1 ] (8.34) 66

67 Měrná epelná kapacia epelná vodivos pro sřední eplou spalin. cp 1,3248 [kj Nm -3 K-1 ] (8.35) sp Raynoldsovo číslo oo číslo je řeba vypočía k určení Nuselova čísla. sk wsp d 24,99 0,0322 Re sp 14524,35 6 ν 55, sp Resp > 2320, nasane edy urbulenní proudění. [-] (8.36) Nuselovo číslo pro určení ohoo čísla použijeme Gnielinského vzah ( Re 1000) 2 x5 sp Prsp 3 Nu sp 1 y y ,7 x5 Prsp 1 2 0,00355 ( 14524, ) ) 1,277 3 Nu 1 0,0085 sp ,7 0, ,277 1 Nu 56,3 [-] (8.37) sp Korekční fakory ( 1,82 log( Re ) 1, ) 2 1 x 5 sp ( 1,82 log( 14524,35) 1,64) 0, x 5 8 [-] (8.38) d 0,0322 y 1 0,0085 3,771 [-] (8.39) l rp Pomocí ieračního výpoču následujících rovnic v programu Microsof EXCEL dosaneme předpokládanou délku rubky lrp. Pro výpoče fakoru y2 je řeba zná hodnou a. Ta je pro případ epelného oku z rubkového prosoru rovna nule (nemusíme edy zná eplou sěny s). a 0 sp sp y 2 1 [-] (8.40) s s 67

68 Pranlovo číslo cp sp ν sp 1324,8 55, Prsp 3 λ 57, Součiniel přesupu epla sp 6 1,277 [-] (8.41) Nu 3 sp λsp 56,3 57, α 1 100,54 [-] (8.42) d 0, VÝPOČET TEPLOSMĚNNÉ PLOCHY VÝPARNÍKU Tab. 8.8 Teploy oluenu před a za výparníkem Teploa oluenu na vsupu do výměníku in 213,98 [ C] Teploa oluenu na výsupu z výměníku ou 300,23 [ C] Trubkovnice výparníku budou vyrobeny ze zvoleného maeriálu 34CrMo4 [22]. Teno maeriál se vyznačuje epelnou vodivosí, viz abulka níže. Tab. 8.9 Tepelná vodivos rubek výparníku [22] Tepelná vodivos pro sřední eplou spalin sp s (vypočeno inerpolačně z Tab. 8.9). λ 38,935 [W m -1 K-1 ] (8.43) sp Tepelná vodivos pro sřední eplou oluenu s (vypočeno inerpolačně z Tab. 8.9). s in + ou 213, ,23 257,1 [ C] (8.44) 2 2 λ 40,944 [W m -1 K-1 ] (8.45) Sřední epelná vodivos rubky λsp + λ s 38, ,944 λ 39,94 [W m -1 K-1 ] (8.46)

69 Součiniel prosupu epla pro výpoče ohoo součiniele je řeba zná součiniel přesupu epla α2. Z důvodu nepřesnosi či spíše nevhodnosi výpoču pro organickou sloučeninu (neboť veškeré dosupné výpočy jsou pouze pro parní média) a po konzulaci s vedoucím práce byla zvolena hodnoa součiniele přesupu epla α W m -2 K k do 1 do do 1 + ln + s d α1 2 λ d α 2 1 k 0, ,038 0, ln + 0, , ,94 0, k 84,21 [W m -1 K-1 ] (8.47) Sřední logarimický spád pro určení vnější eplosměnné plochy je nezbyný výpoče sředního logarimického spádu. Ten se určí ze zadaných a vypočíaných hodno médií vsupujících a vysupujících z výparníku. Koncepce výparníku byla zvolena jako proiproudá. ( spin ou ) ( spou in ) Tln spin ou ln spou in ( ,229) ( ,98) T ln 82,4 [ C] (8.48) ,229 ln ,98 Obr. 8.1 Graf proiproudého výměníku spaliny/oluen 69

70 Vnější eplosměnná plocha 3 A Q ,68 p T k 82,4 84,21 [m2] (8.49) ln Průměrná délka jedné rubky Ap 129,68 l r 3,772 [m] (8.50) π d 2 n π 0, o r VÝPOČET ROVNÉHO ÚSEKU TRUBEK Výparník je navržen jako U-rubicový výměník ve 13 řadách. Obr. 8.2 Řez rubkovnice výparníku spaliny/oluen Tab Zvolené paramery konsrukce rubkovnice Poče rubek nr 144 [ks] Vzdálenos svazku od sředu R 0,065 [m] Rozeč mezi svazky ss 0,034 [m] Výpoče plochy ohybů ao plocha je rovna souču ploch ohybů jednolivých řad. Pro výpoče je řeba zná kusové rozložení rubek v dané řadě dále značeno nrř. 70

71 13 o A o _ i i A [m 2 ] (8.51) ( R s ) 2 π + s 2 A o _ i nrř π d o nrř π d o ( R + ss ) 2 [m 2 ] (8.52) Řada 1 A 2 15 π 0,038 0, , [m 2 ] (8.53) ( ) o _ 1 Řada 2 2 A 14 π 0,038 0, ,034 0, [m 2 ] (8.54) ( ) o _ 2 Řada 3 2 A 13 π 0,038 0, ,034 0, [m 2 ] (8.55) ( ) o _ 3 Řada 4 2 A 14 π 0,038 0, ,034 0, [m 2 ] (8.56) ( ) o _ 4 Řada 5 2 A 13 π 0,038 0, ,034 0, [m 2 ] (8.57) ( ) o _ 5 Řada 6 2 A 12 π 0,038 0, ,034 1, [m 2 ] (8.58) ( ) o _ 6 Řada 7 2 A 11 π 0,038 0, ,034 1, [m 2 ] (8.59) ( ) o _ 7 Řada 8 2 A 12 π 0,038 0, ,034 1, [m 2 ] (8.60) ( ) o _ 8 Řada 9 2 A 11 π 0,038 0, ,034 1, [m 2 ] (8.61) ( ) o _ 9 Řada 10 2 A 10 π 0,038 0, ,034 1, [m 2 ] (8.62) ( ) o _ 10 Řada 11 2 A 9 π 0,038 0, ,034 1, [m 2 ] (8.63) ( ) o _ 11 Řada 12 2 A 6 π 0,038 0, ,034 0, [m 2 ] (8.64) ( ) o _ 12 Řada 13 2 A 4 π 0,038 0, ,034 0, [m 2 ] (8.65) ( ) o _ 13 A 0, , ,77 [m 2 ] (8.66) o Vnější plocha rovných úseků A A A 129,68 12,77 116,91 [m 2 ] (8.67) rú p o Délka rovného úseku rubky Arú 116,91 l rú 3,401 3,415 [m] (8.68) 2 n π d π 0,038 r o 71

72 Skuečná eplosměnná plocha A 2 n π d l + A sk p r rú o A π 0,0322 3, ,77 112,26 [m 2 ] (8.69) sk p 8.3 VÝPOČET TLAKOVÝCH ZTRÁT V TRUBKOVÉM PROSTORU Tlakové zráy v rubkovém prosoru yo zráy jsou dány součem zrá řecích spolu se zráami mísních odporů. TP TP TP p p + p 132, ,06 839,4 [Pa] (8.70) z mo Tlakové zráy řením pro výpoče je řeba zná poče chodů svazku, edy nch2. sk ρ sp w TP sp p λ 11 nch z1 z2 2 1,258 24,99 p TP 0, ,143 1, ,34 2 [Pa] (8.71) Zráový součiniel λ Re sp 12 + ( x + x ) λ ,031 [-] (8.72) , ( 1, ,2 10 ) 2 + Subsiuční fakory 1 12 x 9 2,457 ln 7 Re sp 0, ,27 k 1 x9 2,457 ln 1, , ,27 0, , [-] (8.73) 72

73 ,2 10 Re sp 14524,35 x [-] (8.74) Relaivní drsnos sěny pro výpoče relaivní drsnosi sěny je řeba zná vniřní drsnos rubky. K0,05 mm. K 0,00005 k 0, [-] (8.75) d 0,0322 Korekční fakor pro výpoče fakoru je řeba vypočía nejprve eplou sěny rubkového prosoru a urči koeficien a. Ten se pro epelný ok z rubkového prosoru rovná 0,6 [-]. z l d 3,772 0,0322 r 1 117,143 [-] (8.76) a s 0,6 sp 365 z 2 1,1594 [-] (8.77) s 285,26 Teploa sěny rubkového prosoru 3 s Q s sp ,26 [ C] (8.78) sk A α 112,26 100,54 p 1 Mísní lakové zráy yo zráy jsou určeny zráou laku ohybem rubek a lakovou zráou spalin na vsupu a výsupu z rubkového prosoru. 2 sk ρ sp w TP sp pmo [ 0,7 nch + 0,4 ( nch 1) ] 2 2 1,258 24,99 p TP mo [ 0, ,4 ( 2 1) ] 707, 06 2 [Pa] (8.79) 8.4 VÝPOČET TLAKOVÝCH ZTRÁT V MEZITRUBKOVÉM PROSTORU Tlakové zráy v mezirubkovém prosoru yo zráy jsou dány součem hydrosaické zráy kapaliny, lakové zráy separáoru páry a lakové zráy oluenu ve vsupním hrdle. Poslední dvě zráy jsou však oproi zráě hydrosaické zanedbaelné, proo je nebude dále počía. MTP MTP MTP MTP p p + p + p 20126,4 [Pa] (8.80) z h s s 73

74 Zráa hydrosaickým lakem ao zráa je dána výškou hladiny ve výparníku. Ta je počíána na výšku H 5 m od spodní čási rubkovnic. Husou oluenu vypočíáme v programu FluidProp jako ρ k f (p3; x 0) 410,325 kg m -3. MTP k ph H ρ g 5 410,325 9, ,4 [Pa] (8.81) Dle provedeného výpoču je navržen verikální výparník skládající se ze ří čásí. Dolní rozváděcí a sběrné komory spalin, U-rubicového svazku a plášě výparníku. Uvniř plášě jsou umísěny dva děrované disky pro separaci kapiček oluenu odcházejících spolu s párou. Aby vlivem epelné deformace rubek nedošlo ke vzájemnému syku ěcho rubek, jsou ve výparníku vloženy dva vymezující rošové koouče. Návrh výparníku byl proveden v programu Solid Edge. Obr. 8.3 Výparník spaliny/oluen 74

75 Obr. 8.4 Návrh výparníku spaliny/oluen 75

76 9 VÝPOČET SKLADOVÝCH PROSTOR Záměrem invesora je skladová zásoba paliva (dřevní šěpky) minimálně na dobu 1 měsíce. Too období se spjao s možnosí náhlého zásobování skladu v horizonu dvou dní právě s měsíčním inervalem. 9.1 SPOTŘEBA TEPLA Pro výpoče celkové spořeby epla budeme vycháze z maximálního výkonu kole. Pro provoz výroby elekřiny a ekopaliv je uvažováno s 8000 hodinami za rok. QC Pk 3,6 d 2,2 3, [GJ rok -1 ] (9.1) Pk epelný výkon kole [MW] Tr poče provozovaných hodin [hod rok -1 ] 9.2 SPOTŘEBA PALIVA Spořeba paliva vychází z celkové epelné pořeby spolu s výhřevnosí paliva a účinnosí kole. M pal C QC Q r i ,6 η 10,8 85,4 k Qi r výhřevnos paliva [GJ -1 ] ηk reálná účinnos kole [%] [ rok -1 ] (9.2) Pro názornější předsavu uo hodnou ješě přepočíáme na denní a hodinovou spořebu. pal pal M C , M hod 858,7 d 8000 [kg hod -1 ] (9.3) pal pal M M , ,8 [kg den -1 ] (9.4) den hod M 20,6 [ den -1 ] (9.5) pal den 9.3 CELKOVÝ SKLADOVÝ PROSTOR Pro eno výpoče budeme uvažova s množsvím spořebovaného paliva a minimální dobou zásoby 31 dnů. pal M den ,8 31 Vskladu 2852 [m 3 ] (9.6) ηskladování 80 m pal mpal měrná hmonos paliva [kg m -3 ] ηskladování procenuální zaplnění skladu (voleno z praxe) [%] 76

77 9.3.1 DENNÍ ZÁSOBNÍK PALIVA Z důvodu projekování komplení echnologie k výrobě elekrické a epelné energie je pořeba aké zná celkový objem denního zásobníku. Invesor si přeje jednodenní naskladnění expedienem během ranní směny (z důvodu hluku a vyížení obsluhy výrobní linky). V zásobníku m pal pal M den η 100 skladování 20608, [m 3 ] (9.7) Z důvodu rezervy a modelových řad popávaných zásobníků raději volíme zásobník o minimálním objemu 100 m EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ INVESTICE Závěrečná čás éo práce je věnována ekonomickému zhodnocení invesice kogenerační jednoky. V omo zhodnocení bude provedeno srovnání pro akuální podmínky podpor OZE plané pro rok 2014 (důvodem je rozdílnos výše podpor dle savební připravenosi projeku invesor má pro oo období nárok na dva způsoby varian, proože v rámci savebních prací výrobního objeku má podané savební povolení již od poloviny loňského roku) a na přání invesora bude provedeno srovnání se Slovenskými podporami planými pro rok 2014 (z důvodu realizace podobného projeku výroby ekopaliv v omo sáě) INVESTIČNÍ NÁKLADY Invesiční náklady jednolivých echnologií budou oožné pro všechny ři variany ekonomického zhodnocení. Jednolivé cenové položky daných echnologií jsou čerpány z firemních podkladů společnosí v rámci rozeslaných popávek formou zasoupení invesora. Ceny jsou edy akuální pro rok 2014 v rámci všech pořebných náležiosí. Jediným spekulaivním údajem může bý výše savebních úprav. Při současném savu rozesavěné výrobní a skaldové haly by byly náklady pořebné pro přísřešek ORC echnologie výrazně nižší. Výše nákladů ak byla sanovena po konzulaci s vedoucím savebního úseku invesora. 77

78 Tab Invesiční náklady pro pořízení echnologií Název Horkovzdušný koel 2,2 MW s dohořívací komorou Odah, spalinové propoje zařízení, muli cyklonové čišění spalin a nerezové komíny Zásobník šěpky, dopravní cesy paliva a popele Pořizovací náklady is. Kč Výměník spaliny/voda 1,3 MW ORC jednoka 120 kwe Pásová sušárna Porubí, úpravna echnologické vody MaR (vč. vývodů měřícího a regulačního sysému do velína) Příslušensví (čerpadla, pohony, ad.) Osaní (savební úpravy, připojení výrobny k rafosanici, ad.) Doprava, monáž a školení obsluhy 640 Celkové pořizovací náklady Na přání invesora jsou v abulce rozepsány pouze dílčí náklady jednolivých odvěví. Deailnější rozepisování pořizovacích cen daného echnologického úseku bylo invesorem zamínuo. Výsledný náklad na pořízení kompleního kogeneračního celku pro výrobu elekrické a epelné energie určené primárně k výrobním účelům invesora činí ,- Kč bez DPH PODPORY Z VYROBENÝCH ENERGIÍ Jak již bylo zmíněno v úvodu éo kapioly, ekonomické zhodnocení bude provedeno pro ři variany. Dvě budou zaměřeny na podpory v rámci ČR, ale s rozdílnými podporami daného období a řeí bude provedeno pro podpory OZE v rámci Slovenské republiky VARIANTA A ČR 2014 (SP DO 10/2013) Pro oo období plaí dle cenového rozhodnuí Energeického regulačního úřadu (ERU) č. 4/2013 ze dne 27. lisopadu 2013 následující výše podpor OZE (ze spalování biomasy). [23] 78

79 Tab Zelený bonus z výroby elekřiny spalování čisé biomasy [23] Tab Doplňkový zelený bonus z výroby elekřiny spalování čisé biomasy [23] Tab Zelený bonus z výroby epla [23] Druhem pařičných podpor a jednolivých kombinací podpor mezi sebou se zabývá vyhláška č. 477/2012 Sb., o sanovení druhů a paramerů podporovaných obnovielných zdrojů pro výrobu elekřiny, epla nebo biomeanu a o sanovení a uchování dokumenů. Podpora na výrobu elekřiny ze spalování čisé biomasy je rozlišována ve řech kaegoriích. Pro eno projek byla vybrána kaegorie biomasy O2. Kaegorie O2 ao kaegorie zahrnuje např. biomasu ve formě slámy z obilovin a olejnin, zbykové produky z desilace lihu pecky, zbykové hmoy zv. nehroubí j. dřevo do průměru 7 cm, či dřevěné obaly včeně jejich úprav pro přepravu ke spořebieli. Výpis všech podporovaných druhů je popsán v příloze č.1 k vyhlášce č. 477/2012 Sb. [24] 79

80 Pro daný případ podpory je edy výsledná cena z výroby elekřiny rovna ročnímu zelenému bonusu z Tab spolu s doplňkovým zeleným bonusem z Tab Cc,el1 Crzb + Cdzb [Kč MWh -1 ] (10.1) Výsledná cena za eplo z kogenerační jednoky spolu s eplem z eplovodního výměníku je dána z ceny podpory ěcho epel z Tab spolu s výkupní cenou, kerá byla sanovena po konzulaci s invesorem na 150 Kč GJ -1. Cc,ep1 Czb + Cvc [Kč GJ -1 ] (10.2) VARIANTA B ČR 2014 (SP PO 10/2013) V omo období plaí podpory dle sejného cenového rozhodnuí jako v první varianě, ale s jinými výšemi. Rozdílem výše podpory je fak, že projeky, jenž nemají savební povolení do nemohou v roce 2014 žáda o podporu na výrobu elekřiny. Smí pouze žáda o podporu z KVET dle abulek níže. Tab Zelený bonus z kombinované výroby elekřiny a epla [23] Podpora pro výrobu elekřiny a epla v rámci KVET již nerozlišuje kaegorie spalované biomasy ak jako v první varianě, pouze je obecně uvedena kaegorie O. Rozdílem je však výběr výše podpory při daných provozních hodinách. Po konzulaci s invesorem byla vybrána výše podpory pro provozních hodin. Teno fak bude nuné zohledni při výpoču výsledné ceny z výroby elekřiny. Výsledná cena z výroby elekřiny je edy rovna základní sazbě ročního zeleného bonusu z Tab spolu s doplňkovým zeleným bonusem z Tab Pro zjednodušení dalších výpočů byla výše příspěvku rozpočena z původních provozních hodin do provozních hodin. Cc,el2 Czszb + Cdzb 632, ,50 [Kč MWh -1 ] (10.3) 80

81 Výsledná cena za eplo z kogenerační jednoky spolu s eplem z eplovodního výměníku je sejná jako v první varianě. Cc,ep2 Czb + Cvc [Kč GJ -1 ] (10.4) VARIANTA C SR 2014 Na Slovensku plaí dle vyhlášky Úřadu pro regulaci síťových odvěví (URSO) ze zákona č. 221/2013 Z.z. následující cenová regulace v elekroenergeice. Tab Zelený bonus z kombinované výroby elekřiny a epla [25] Výsledná cena z výroby elekřiny je edy rovna výkupní ceně z vyrobené elekřiny v organickém Rankinově cyklu. Na rozdíl od legislaivy v ČR se na Slovensku nevyplácí zv. zelené bonusy. Vyrobená elekřina, na kerou je poskynua podpora, se musí buďo proda do síě a eprve následně si invesor zakoupí elekřinu z éo síě dle odběraelské smlouvy, nebo je možné uo elekřinu spořebova v mísě výroby, ale výše podpory pro rok 2014 se následně sníží o 46 /MWh. Po konzulaci s invesorem byla vybrána druhá variana, neboť ao variana je z hlediska ekonomického přínosu příznivější. Pro přepoče ceny budeme uvažova dle akuálního kurzu ČNB kurz eura 27,45 Kč. [26] Cc,el3 (CvvORC Czz) keur Cc,el3 (118,31 46) 27, ,90 [Kč MWh -1 ] (10.5) Výsledná cena za eplo z kogenerační jednoky spolu s eplem z eplovodního výměníku je v éo varianě ponížena o podporu z výroby epla a je edy rovna pouze sanovené výkupní ceně invesorem. Cc,ep3 150 [Kč GJ -1 ] (10.6) 81

82 10.3 VÝPOČET ZHODNOCENÍ JEDNOTLIVÝCH VARIANT Všechny ři variany mají sejné hodnoy výrob a spořeb pro navazující výpočy. Obr Schéma oků energií kogenerační jednoky Celková roční výroba elekrické energie se vypoče jako součin svorkového výkonu (upravený o odpoče vlasní spořeby ORC jednoky) a doby využií ORC jednoky. Er Pel 10-3 Tr [MWh rok -1 ] (10.7) Množsví ročně vyrobeného epla je rovno součinu vyrobeného epla pro sušení (oo eplo se skládá z odpadního epla ORC jednoky a epla z eplovodního výměníku) a doby využií ORC jednoky. Pro zjednodušení byla brána účinnos epelného výměníku ηvyměníku 100 %. Qr (PORC + PV) Tr ( ) [GJ rok -1 ] (10.8) Tab Paramery výroby energií 82

83 VARIANTA A Zisk z výroby elekrické energie eno zisk je navýšen o cenu za elekřinu, jenž díky vlasní výrobě elekrické energie není řeba nakupova. Pro daný provoz dle odběraelské smlouvy invesora s dodavaelem energií činí cena 2 150,- Kč/MWh. NE Er (Cc,el1 + CNe) 960 ( ) [Kč rok -1 ] (5.1) Zisk z prodeje epla NQ Qr Cc,ep [Kč rok -1 ] (5.1) Celkový zisk z výroby elekřiny a epla V NE + NQ [Kč rok -1 ] (5.1) Náklady na údržbu a servis zařízení, především edy ORC jednoky byly nasaveny po konzulaci s jednolivými výrobci echnologií ve výši 50 Kč/hod provozu. Ns Tr Cs+ú [Kč rok -1 ] (5.1) Náklady na palivo jsou součinem celkového spořebovaného množsví paliva spolu s cenou za oo palivo. Po konzulaci s vedoucím nákupu surovin byla sanovena cena Kč/ paliva. Npal MC pal Cpal 6 869, [Kč rok -1 ] (5.1) Celkové provozní náklady Np Ns + Npal [Kč rok -1 ] (5.1) Celkový zisk kogenerační výroby NC V - Np [Kč rok -1 ] (5.1) Pro další výpočy je řeba zná živonos samoné echnologie. Vzhledem k výši pořizovacích nákladů je brán především zřeel na živonos ORC jednoky. Ta byla sanovena na 15 le. Z důvodu sejných ročních zisků kogenerační výrobny bude i cash flow v každém roce projeku sejné, neboť jsou známy veškeré náklady již v prvním roce a dále již žádné nepřibývají. Cash flow CF NC V - Np [Kč rok -1 ] (5.1) 83

84 Pro výpoče hodnoy diskonovaného oku peněz každého roku je řeba zná hodnou diskonní sazby. Dle ČNB je ao sazba d 0,05 %. [27] Diskonované cash flow DCF CF (1 + (d 10-2 )) - [Kč rok -1 ] (5.1) Tab Diskonované cash flow variany A Doba splanosi bez znehodnocení peněz N i To 7,007 [roku] (5.1) CF Doba splanosi s uvážením znehodnocení peněz 1 1 ln ln 1 TO d 1 7,007 0,0005 T S 7,02 [roku] (5.1) ln 1 ( + d ) ln( 1+ 0,0005) Vniřní výnosové proceno TS 7,02 CF ui IRR 14,27 [%] (5.1) TS 7,02 N u i i 84

85 VARIANTA B Obr Graf závislosi ΣDCF na leech variany A Zisk z výroby elekrické energie i v éo varianě je zisk navýšen o cenu za nenakupovanou elekřinu. CNe 2 150,- Kč/MWh. NE Er (Cc,el2 + CNe) 960 (1 087, ) [Kč rok -1 ] (5.1) Zisk z prodeje epla NQ Qr Cc,ep [Kč rok -1 ] (5.1) Celkový zisk z výroby elekřiny a epla V NE + NQ [Kč rok -1 ] (5.1) Náklady na údržbu a servis zařízení Ns Tr Cs+ú [Kč rok -1 ] (5.1) Náklady na palivo Npal MC pal Cpal 6 869, [Kč rok -1 ] (5.1) Celkové provozní náklady Np Ns + Npal [Kč rok -1 ] (5.1) 85

86 Celkový zisk kogenerační výroby NC V - Np [Kč rok -1 ] (5.1) Živonos echnologie je sanovena sejně jako v první varianě na 15 le. Cash flow CF NC V - Np [Kč rok -1 ] (5.1) Diskonované cash flow DCF CF (1 + (d 10-2 )) - [Kč rok -1 ] (5.1) Tab Diskonované cash flow variany B Doba splanosi bez znehodnocení peněz N i To 8,23 CF [roku] (5.1) Doba splanosi s uvážením znehodnocení peněz 1 1 ln ln 1 TO d 1 8,23 0,0005 T S 8,25 [roku] (5.1) ln 1 ( + d ) ln( 1+ 0,0005) 86

87 Vniřní výnosové proceno TS 8,25 CF ui IRR 12,15 [%] (5.1) TS 8,25 N u i i VARIANTA C Obr Graf závislosi ΣDCF na leech variany B Zisk z výroby elekrické energie v éo varianě je zisk aké navýšen o cenu za nenakupovanou elekřinu. Ta je však oproi českým cenám vyšší CNe 2 740,- Kč/MWh. NE Er (Cc,el3 + CNe) 960 (1 984, ) [Kč rok -1 ] (5.1) Zisk z prodeje epla NQ Qr Cc,ep [Kč rok -1 ] (5.1) Celkový zisk z výroby elekřiny a epla V NE + NQ [Kč rok -1 ] (5.1) Náklady na údržbu a servis zařízení Ns Tr Cs+ú [Kč rok -1 ] (5.1) Náklady na palivo v éo varianě je náklad nižší než v ČR, neboť výrobní závod sídlí blízko zdroje ohoo paliva, čímž odpadají náklady spojené s dopravou a zároveň 87

88 je zde i samoné palivo neparně levnější. Po konzulaci s vedoucím nákupu surovin daného závodu byla sanovena cena Kč/ paliva. Npal MC pal Cpal 6 869, [Kč rok -1 ] (5.1) Celkové provozní náklady Np Ns + Npal [Kč rok -1 ] (5.1) Celkový zisk kogenerační výroby NC V - Np [Kč rok -1 ] (5.1) Živonos echnologie je sanovena sejně jako v první a druhé varianě na 15 le. Cash flow CF NC V - Np [Kč rok -1 ] (5.1) Diskonované cash flow DCF CF (1 + (d 10-2 )) - [Kč rok -1 ] (5.1) Tab Diskonované cash flow variany C Doba splanosi bez znehodnocení peněz N i To 6,82 CF [roku] (5.1) 88