Optimalizace energetického hospodářství a úsporná opatření v Plzeňském Prazdroji a.s.

Transkript

1 E K O L O G I E H O S P O D Á R N O S T Optimalizace energetického hospodářství a úsporná opatření v Plzeňském Prazdroji a.s. Ing. Michal Pešta, specialista energetiky, Plzeňský prazdroj Optimalizace energetického hospodářství je vždy dána charakterem provozu, požadavky technologie a pokročilostí řízení jednotlivých systémů. S kolegy v Prazdroji jsme nastoupili cestu k postupné eliminaci ztrát, ať už tepla, chladu, nebo elektrické energie. A to postupným zmenšováním počtu kondenzátních stanic, které neběželo ruku v ruce s rozvojem závodu, eliminací zbytečné akumulace ledové vody, odstavení odlehčených traf a v neposlední řadě optimalizací řídících algoritmů jednotlivých energetických systémů tak, aby byl zaručen chod zařízení s optimální účinností. Tyto věci lze však dělat pouze na základě dokonalé znalosti energetického systému závodu, a tak se ve svém článku omezím na představení technologií, které nám v současnosti dovolují využít dříve opomíjené zdroje energie. VYUŽITÍ TEPLA ODPADNÍCH VOD Odpadní vodu lze chápat jako druhotnou surovinu. Podrobným rozborem jejích vlastností se lze rozhodnout, jak ji dále využít, neboť odpadní vody mají zpravidla mají značný obsah tepla, které je možné druhotně využít. Dříve snad bývalo problémem, že pro znečištěné vody neexistovaly vhodné výměníky. Dnes však již existují zařízení pro jakkoli znečištěnou odpadní vodu. Dále se pokusím přiblížit hlavní typy výměníků a jejich využití v našich provozech. Typy výměníků pro různé znečištění odpadní vody Typy pro výměnu čistá voda odpadní voda a zhodnocení jejich ekonomického přínosu Deskové výměníky Je možné je použít pouze pro vody znečištěné rozpuštěnou nebo kapalnou odpadní látkou, kterou je třeba pivo. Tyto se budou odpadní vodou snáze zanášet a pro případ, že se zvolí pájené výměníky, je v podstatě možné čistit je pouze chemicky. Rozhodujícím momentem pro jejich instalaci je cena, která je výrazně nižší než pro jiné typy. Ekonomické zhodnocení deskový výměník bude využit při instalaci využití tepla odpadní vody z výplachu sudů na předehřátí vody pro výplach sudů, celá akce stála cca 1 mil. Kč, z toho bude cena výměníku činit Kč. Spirálové výměníky pro shodnou aplikaci by stály Kč. Ze současného provozu je patrné, že předpokládaná úspora 1 mil. korun ročně bude naplněna. Trubkové, spirálové výměníky Je možné je použít i pro vody znečištěné jemnými mechanickými částicemi jen s tou podmínkou, že ohřívané médium se nachází uvnitř trubek, zatímco zdroj tepla proudí pláštěm, tedy obrácené zapojení, než bývá obvyklé. Ekonomické zhodnocení spirálový výměník je využit pro dochlazení odluhu za parním kotlem v pivovaru Velké Popovice. Celá instalace stála Kč, prokazatelná úspora Kč ročně. Výměníky špinavá voda čistá voda Je možné použít v podstatě pro jakkoliv Obrázek č. 1: Princip výměníku špinavá voda - čistá voda 40 Zdroj:

2 M A G A Z Í N znečištěnou vodu, podmínkou však je, že teplo musí být dodáváno do čistého média, které neobsahuje žádné dodatečné znečištění. Princip výměníku spočívá v tom, že teplá odpadní voda teče po absorbéru, který je tvořen absorpčním plechem a plochými trubkami, jimiž protéká ohřívaná čistá kapalina. Výměníky při správném zapojení dokáží i z minimálního rozdílu 5 C získat z odpadu až polovinu jeho energie. Ekonomické zhodnocení: Pro aplikace, kde byl dosud výměník namontován, se pohybovala návratnost vždy do jednoho roku. Výměníky špinavá voda špinavá voda Do těchto výměníků lze pouštět z teplé i studené strany znečištěné médium. Základní konstrukce výměníku spočívá na dvou pravidelně zvlněných trubkách, které jsou do sebe vloženy, přičemž ochlazované médium obvykle proudí vnitřní trubkou a ohřívané médium pláštěm. Ekonomické zhodnocení o instalaci výměníku bylo uvažováno pro předehřev vody před anaerobním reaktorem pro čističku odpadní vody (ČOV) pivovaru ve Velkých Popovicích. V případě, že by byl pro předehřev využíván zemní plyn, byla by čistá návratnost při ceně 6 mil. Kč 2,5 roku. Vzhledem k využití bioplynu bylo toto úsporné opatření odloženo. Tlak [MPa abs.], teplota vstup [ C] MOŽNOSTI KOGENERACE (MOŽNOSTI VÝROBY ELEKTRICKÉ ENERGIE) Elektrickou energii můžeme generovat třemi způsoby: záměrně vytvořeným entalpickým spádem (parní nebo spalovací turbína, pístový motor), ztrátovým entalpickým spádem (náhrada parních redukčních ventilů točivou redukcí nebo pístovým motorem), využitím odpadních tlakových spádů (výškové spády vody, redukce zemního a technických plynů, chlazení). Možnosti využití záměrně vytvořeného entalpického spádu (parní nebo spalovací turbína, pístový motor) Tlak[MPa abs.], teplota výstup [ C] Spalovací pístový motor Spalovací pístový motor mechanickým pohybem na hřídeli pohání generátor a teplo je získáváno z chlazení pístů a jeho spalin. Tuto aplikaci pokládám za natolik známou, že se jí zde nebudu šířeji věnovat. Při současných cenách energie se o ní však již vyplatí uvažovat i v případě, že bychom měli spalovat zemní plyn, avšak jen s tou podmínkou, že budeme mít dostatečnou tepelnou spotřebu v teplotách do 100 C. Nad těmito teplotami je již potřeba volit jiné kogenerační zdroje. Účinnost přeměny tepelné na mechanickou energii je až 40 %. Celková účinnost systému 85 %. Elektrický výkon [kw] 1.6 MPa, 195 C 0.6 MPa, 160 C 200 kw 1.6 MPa, 280 C 0.6 MPa, 200 C 310 kw Tabulka č. 1: Vliv teplotního spádu na účinnost parní turbíny Tento typ kogenerace je v investičním plánu na rok 2009 pro spalování bioplynu na ČOV pivovaru Velké Popovice. Předpokládané investiční náklady jsou 6 mil. Kč a předpokládaná čistá návratnost 3 roky. Spalovací turbína Spalovací turbína expanze plynu ve spalovací komoře roztáčí hřídel turbíny a s ní i generátor. Spaliny za turbínou jsou schopny vyvíjet páru o poměrně vysokých parametrech, až 400 C. Účinnost přeměny na mechanickou energii je okolo 30 %, celková účinnost systému až 85 %. Cena turbíny pro nízké výkony je však dvojnásobná oproti ceně pístového motoru (pro 1,2 MW el pístový motor 28 mil. Kč, turbína 60 mil. Kč - s rostoucími výkony tento poměr klesá). Parní turbína Parní turbína je nutné mít zdroj páry o dostatečných parametrech. Nejlepší poměr mezi cenou a výkonem je zdroj o parametrech syté páry 14 bar a 192 C stupňů se sálavým přehřívákem, který je schopen dosáhnout až 300 C. Cena pro instalaci s turbínou 10 t hodinově cca 9 mil. Kč je shodná s cenou nového kotle pro 14 t hodinově. S tímto typem kogenerace bylo uvažováno při nákupu nového kotle pro kotelnu pivovaru ve Velkých Popovicích. Předpokládané náklady jsou okolo 9 mil. Kč, předpokládaná čistá návratnost 2,5 roku. Obrázek č. 2: Výměník unex Zdroj: 41

3 E K O L O G I E H O S P O D Á R N O S T Plášť turbíny Rotor Ukotvená hřídel Dráha bodu po obvodu rotoru Obrázek č. 4: Bezlopatková turbína Parní turbína je vhodná i jako náhrada redukčních ventilů. Pro ilustraci uvádím v tabulce 1 uvádím, jak ovlivňuje účinnost teplotní spád na turbíně Možnosti pro využití ztrátového entalpického spádu (náhrada parních redukčních ventilů točivou redukcí nebo pístovým motorem) Točivá redukce tlaku Mezi zařízení pracující na tomto principu lze zařadit parní turbínu a Quasiturbinu. Výše zmíněná turbína je vhodná i pro tuto aplikaci. Vyrábí ji společnost G-Team. Další možností je tzv. Quasiturbina. Její princip v sobě kombinuje turbínu, pístový a wankův motor. Toto zařízení je v současnosti zkonstruováno pro výkony v řádech desítek kw a v tomto rozmezí by bylo možno uvažovat o jejím využití. Jediný problém, který vidím pro její využití, je, že konstrukční tým sídlí v Kanadě. Pístový motor Je alternativa pro nižší výkony a parametry redukované páry. Momentálně je k dispozici výkonová řada v rozmezí 22, 45 a 75 kw. Vyšší výkonová řada, která by měla mít až 300 kw, je ve vývoji. Podstatné však je, že tento motor je omezený teplotou páry 210 C. Tato teplota je horní mezí pro těsnění pístů. Parní pístové motory jsou primárně určeny pro náhradu redukčních ventilů, je však možné přímo využít i za parním kotlem. Výhodou tohoto řešení je sídlo konstrukční firmy v Čechách a nižší investiční náklady než u klasické turbíny. Obrázek č. 3: Quasiturbina 42 Zdroj: quasiturbine.promci.qc.ca/eindex.htm Využití odpadních tlakových spádů (výškové spády vody, redukce zemního a technických plynů, chlazení) Stejně tak jako u využití odpadního tepla se v tomto případě jedná o využití odpadní energie. Podstatné je rozlišovat, zda se jedná

4 M A G A Z Í N o tekutinu nebo plyn. Protože voda, případně i jiná tekutina, koná práci pouze na základě rozdílů své potenciální energie, zatímco plyn při expanzi koná práci také na úkor své vnitřní energie, to znamená, že se ochlazuje. Využití odpadních spádů tekutin Na řadě míst v průmyslu je možné najít několikametrový spád vody, případně výraznější tlakový spád jiné tekutiny. Dnes už existují jednoduché a relativně levné systémy, které dokáží tuto ztrátovou mechanickou energii o výkonu 1 až 100 kw využít. Nejperspektivnějším způsobem jsou bezlopatkové turbíny. Princip bezlopatkové turbíny je prostý. Proud tekutiny protéká zužujícím se profilem, tento zužující se profil vyvolá proudění, vložíme- li do tohoto profilu těleso kulovitého nebo kuželovitého tvaru, je vtaženo ke straně. Na místě jeho dotyku se stěnou vzniká podtlak proti směru proudění. Tímto podtlakem je těleso taženo po stěně statoru (základního profilu) proti směru víru. Příklady uvažovaného využití První uvažovaná aplikace je využití výškového spádu vody z chladících kondenzátorů chladíren Gambrinus. Při spádu 4,5 m a průměrném průtoku 40 l/s je teoretický výkon 1,8 kw. V případě, že bychom jej využili k výrobě elektrické energie, byl by předpokládaný výkon na svorkách generátoru 0,9 kw. Ekonomické zhodnocení Zisk elektrické energie z tohoto zařízení by byl cca kwh ročně. Předpokládané investiční náklady se pohybují v rozmezí Kč. V závislosti na ceně energie se pak návratnost může pohybovat od 3 do 5 let. U této aplikace je třeba podotknout, že je vyzkoušená a je možno ji okamžitě instalovat. Další uvažovanou aplikací, kde by však bylo nutné turbínu hermeticky uzavřít, byla náhrada expanzních ventilů čpavku. Zde jsem pro změnu počítal výtěžnost na chladícím zařízení chladíren Plzeňského Prazdroje, kde ročně systémem putuje kg čpavku. Celková ideální výroba je kwh, reálně využitelných tedy kwh. Tato aplikace se při současných cenách energie ukazuje jako nevhodná. Využití odpadních spádů plynů Zde bude zásadním problémem ochlazování plynu při expanzi. To znamená, že je nutné volit jen plyny bez přítomnosti vlhkosti, jinak bude zařízení zamrzat. Uvažovanou aplikací je využití odpadního tlakového spádu CO 2, v plzeňském pivovaru se dodává do rozvodné sítě CO 2 cca 14 mil. kg ročně. Tato síť slouží výrobním provozům pivovaru. Toto množství se po odpaření redukuje z 16 na 7 barů. Při stávající teplotě 30 C by byla roční výroba na tomto zařízení kwh. V případě, že bychom CO 2 Obrázek č. 5: Srovnání LED (nahoře) x sodík (dole) Zdroj: 43

5 E K O L O G I E H O S P O D Á R N O S T předehřáli nějakým zdrojem na 100 C, dosáhli bychom teoretické práce kwh. Reálně uvažujeme o poloviční účinnosti systému, ale i tak by bylo možné dosáhnout zajímavých úspor v řádech stovek tisíc Kč. Bohužel pro tyto výkony v současnosti neexistuje vhodné zařízení, proto jsme požádali naše obchodní partnery z firmy Linde o zvážení výzkumného projektu na využití bezlopatkových turbín pro využití odpadního tlakového spádu po redukci zplyněného CO 2. Pokud se rozhodnou výzkumný projekt realizovat, jsem přesvědčen, že do 5 let zde bude finančně přijatelné zařízení schopné tyto spády zpracovat. VYUŽITÍ CHLADÍCÍHO POTENCIÁLU VODY A OSTATNÍCH MÉDIÍ Abychom mohli uvažovat o využití tohoto potenciálu, je nutné toto médium při výrobním procesu spotřebovávat. Kdybychom využívali povrchové vody, tak poplatky za jejich využívání několikanásobně převýší benefit úspory energie, který by generovalo její využití jako chladícího média. Chlazení výrobních procesů Nejobvyklejší variantou je chlazení kompresorů, ať už přímo jejich pracovního prostoru, nebo média z nich vystupujícího (nejčastěji stlačený vzduch). Konkrétní aplikace tohoto způsobu je možno nalézt v pivovaru Velké Popovice, kde jsou vodou, která je posléze použita pro parní kotel, chlazeny hlavy pístových kompresorů. Průměrný průtok chladících vod je 44 m 3 denně. Při oteplení chladící vody o 15 C vel- Obrázek č. 6: Struktura nano solárního článku mi prosté opatření za Kč se vrátilo během několika měsíců. Obdobnou akci pro chlazení sušiček vzduchu vodou jsme poptali pro vzduchovou stanici Plzeňského Prazdroje, kdy předpokládaná investiční náročnost činí Kč a předpokládaná roční úspora je odhadována na Kč. Voda z tohoto chlazení by byla využita pro předehřev teplé užitkové vody (TUV). Kondenzace chladících plynů Zde se jedná o připojení paralelního kondenzátoru ke stávajícímu kondenzačnímu cyklu. Úspora je pak úměrná množství vody, které tímto způsobem předehřejete. Jen pro příklad jsem spočítal návratnost pro chladící výkon 500 kw, což při plném využití představuje úsporu MWh ročně. Jen pro představu pro tento paralelní kondenzační výkon potřebujeme hodinový průtok 42 m 3 při předpokládaném ohřátí vody o 10 C. V závodě pivovaru Velké Popovice je zatím zapojeno do paralelní kondenzace odmrazování solanky (před tím byla využívána pro odmrazování dodání užitečného tepla z okolí a práci čerpadel), nyní je do chladiče 44

6 M A G A Z Í N solanky, kde standardně dochází k chlazení, přiváděn v době odmazování místo kapalného plynný čpavek, který díky kondenzaci solanku rychle ohřívá a doba odmrazování se tak zkrátila desetkrát z 10 na 1 hod., úspora se pohybuje okolo Kč ročně. Využití chladu technických plynů Technické plyny jsou zásadně skladovány zkapalněné. Proto jim musí být dodána tepelná energie pro odpaření, může být využito jak tepla venkovního prostředí, tak i tepla např. páry. Tato energie vlastně představuje odpadní chlad. Technickým plynem s největším výparným teplem je CO 2. Je-li v dané průmyslové aplikaci spotřeba chladu, je možné uvážit instalaci výparníku technických plynů jako paralelního chladiče. V naší společnosti jsme do investičního plánu připravili akci pro využití tohoto chladu k chlazení glykolu. Navržený výparník CO 2 s kapacitou kg/hod by měl výkon cca 200 kw. To je poměrně zajímavý příspěvek k chladícímu výkonu, který je částečně využíván i pro zkapalňování CO 2. Návratnost takovéhoto opatření je taktéž úměrná ceně energie, ale určitě se vejde do 5 let. LED OSVĚTLENÍ BUDOUCNOSTI I SOUČASNOSTI Osvětlení výrobních hal, skladovacích prostor, představuje značnou spotřebu elektrické energie, konkrétně i v naší společnosti necelých 10 % z celkové spotřeby. Tento podíl jde minimálně o 50 % snížit a to tím, že využijeme místo stávajících zářivek a výbojek LED zdroje. Například firmy 6th dimension ( a Snaggi ( nabízí ekvivalentní náhradu zářivkových trubic 60, 120, 150 cm za ceny cca od do Kč za kus. Dále také nabízejí náhrady standardních žárovek ze ceny řádu několika set Kč. Úspora na spotřebě osvětlení se pohybuje okolo cca 50 % v porovnání s moderní zářivkou. Dle typu osvětlení lze očekávat návratnost od 2 do 6 let. Se životností zdroje hodin se tato investice rozhodně vyplatí i z důvodů údržby osvětlení. Zajímavé jsou také náhrady veřejného osvětlení, kdy lze vyměnit jak celá svítidla, tak jen vnitřní zdroje světla technologií LED. Spotřeba je pak 3x až 4x nižší, světlo je bílé a sníží se i náklady na údržbu. Zároveň musím konstatovat, že ceny elektřiny rostou a ceny LED zdrojů klesají. SKLÍZEJME SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ ANEB MOŽNÁ BUDOUCNOST SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ Výzkumníci z Idaho National Laboratory představili v roce 2007 nový koncept solárních článků, v jehož možnostech je využít sluneční záření dopadající na zem až s 80% účinností. Zkonstruovat uvedený článek umožnila nano technologie, která dovolila aplikovat princip absorpce elektromagnetických vln, známého z televizních antén na vlnové délky slunečního záření. Výzkumníci vyrobili síť spirálních antén o průměru 1/25 lidského vlasu, která je schopna zachytit foton. Ten po svém zachycení vybudí elektrický proud. Výhodou této technologie je, že může být vyrobena z jakéhokoliv vodivého kovu a zvolíme-li vhodný průměr antény, dokáže zachytit i fotony tepelného záření vyzařovaného zemí zpět do vesmíru. Ústředním problém, který ještě musí výzkumníci vyřešit, je konverze elektrické energie na standardní úroveň, protože jeho frekvence Hz je přibližně 160 milionkrát větší než frekvence v distribuční síti. Teorie, jak tento problém vyřešit, už existuje a výzkumný tým doufá, že budou první funkční solární články k dispozici za 5 let. ZÁVĚR Z výše uvedených opatření byla zatím realizována zejména opatření na využití odpadního tepla, pro připomenutí to bylo využití tepla vody z výplachu sudů, dále využití ohřáté vody z chlazení vzduchových kompresorů jako doplňovací vody do kotle. Byla provedena studie na využití kogenerace pro ČOV pivovaru ve Velkých Popovicích. Byly uskutečněny dvě zkušební instalace LED osvětlení. Dále bylo využito odpadního tepla z chlazení kompresorů po odmrazování solanky. Uvažuje se o rozšíření LED osvětlení a také o případné výrobě elektrické energie z redukcí na parním rozvodu. Tyto uvažované úspory by se mohly uskutečnit do dvou let. LITERATURA [1] [2] [3] qc.ca/eindex.htm [4] [5] py?t=2&i=3403&h=298&pl=42 [6] [7] htpp:// O AUTOROVI Ing. Bc. MICHAL PEŠTA po absolvování bakalářského studia Humanistiky (Fakulta filosofická ZČU) a magisterského studia Technické ekologie (Fakulta elektrotechnická ZČU) nastoupil v roce 2006 do společnosti Plzeňský Prazdroj a.s. na pozici vedoucího energetiky do pivovaru Velké Popovice. Po úspěšném působení v tomto místě přešel v roce 2008 na nově vytvořenou pozici specialisty energetiky (pro úspory energie) v závodě Plzeň. Posléze byla je působnost rozšířena v oblastech úspor energie na všechny pivovary společnosti Plzeňský Prazdroj. Kontakt na autora: Michal.Pesta@pilsner.sabmiller.com 45