Technicko-ekonomická optimalizace mikrokogera ní jednotky využívající energie biomasy Martin LISÝ 1, *, Marek BALÁŠ 1, Michal ŠPILÁ EK 1, Zden k SKÁLA 1 1 Vysoké u ení technické v Brn, Fakulta strojního inženýrství,energetický ústav, Odbor energetického inženýrství, Technická 2896/2, 616 69 Brno, eská Republika *Koresponden ní autor: lisy@fme.vutbr.cz; tel.: +420541142582 Abstrakt P ísp vek se zabývá porovnáním n kolika variant ešení mikrokogenera ní technologie s využitím spalování nebo zply ování biomasy ke kombinované výrob elektrické energie a tepla pro jednotku o výkonu 200 kw. Bylo zpracováno celkem šest základních variant, pro které bylo zpracováno n kolik alternativních ešení, jež byly následn porovnány a vyhodnoceny. Klí ová slova: biomasa, mikrokogenerace, technicko-ekonomická optimalizace 1 Úvod Energetický ústav FSI VUT v Brn se od roku 2000 soustavn v nuje vývoji zply ování. V laborato ích ústavu je postaven atmosférický fluidní generátor Biofluid 100 o výkonu 150 kwt[1]. P edm tem výzkumu jsou zejména technologie išt ní plynu. K jednotce je p ipojena kogenera ní jednotka na bázi spalovacího motoru o výkonu 22 kwe, na které je možno testovat provoz jednotky na plyn generovaný ze zply ování. Hlavním problémem p i uplatn ní zply ovacích technologií v kombinaci se spalovacími motory a nespolehlivost daných jednotek. išt ní plynu je také energeticky a ekonomicky náro né. Proto se EU FSI podílí vývoji n kolika projekt zabývajících se návrhem a výrobou koncep n zcela nových kogenera ních jednotek. Již n kolik rok se pracovišt EU FSI podílí na ešení projekt, zabývajícího se návrhem a výrobou koncep n zcela nové kogenera ní jednotky. Spo ívá v použití biomasové spalovací nebo zply ovací jednotky, kdy uvoln né spaliny v následném vým níku oh ívají stla ený vzduch z kompresoru. Oh átý vzduch je pak zaveden do turbosoustrojí, kde expanduje. Vzduch odcházející z turbíny má stale vysokou teplotu, takže je využíván jednak pro spalování, zbytek je použit ve sm si se spalinami pro sušení biomasy, pop. pro vytáp ní. 2 Návrh a bilan ní výpo ty mikrokogenera ní jednotky V následujícím textu je porovnáno šest základních variant, a jejich modifikací, jednotky s projektovaným elektrickým výkonem 200 kw, kdy odpadní teplo má být použito pro sušení biomasy. Z d vodu rozsahu textu není možné uvád t kompletní specifikace jednotlivých variant, pouze základní parametry a zejména hlavní rozdíly mezi nimi. Základní návrhové parametry byly následující: hmotnostní pr tok vzduchu, teplota a tlak vzduchu p ed a za turbínou. Požadovaná teplota spalin na konci technologie, tedy na vstupu do sušárny byla 175 C. Vstupní teplota spalin do vým níku byla omezena na 1000 C z d vodu jeho životnosti a materiálové náro nosti. Snížení teploty spalin bylo dosaženo vyšším p ebytkem vzduchu p i spalování, vede však k v tším rozm r m vým níku. Tlak vzduchu p ed turbínou byl 400 kpa. Konkrétní vstupní údaje pro jednotlivé varianty budou uvedeny v následujících tabulkách. Varianty se krom konkrétních parametr jednotlivých medií liší i v n kolika klí ových bodech ešení daného ob hu. Základní konstruk ní charakteristiky a rozdíly lze stru n shrnout následovn : 41
Obr. 1 Schéma navrhované technologie varianta 1 VARIANTA 1: Vzduch je oh íván ve vým níku, který je umíst n za kotel na d evní št pku. Zdrojem tepla jsou spaliny z kotle o teplot cca. 1000 C. Vzduch po stla ení v kompresoru prochází vým níkem a vstupuje do turbíny. ást vzduchu vystupujícího z turbíny je používán jako spalovací vzduch, zbytek je smíchán se spalinami za vým níkem tepla. Do proudu vzduchu za turbínou je za azen regenerativní vým ník k p edeh evu vzduchu za kompresorem, stupe regenerace byl zvolen = 0,73. Sm s spalin a horkého vzduchu je smísena se studeným vzduchem, aby bylo dosaženo požadované teploty spalin p ed sušárnou. Tlak vzduchu za turbínou je atmosférický, v systému tedy musí být za azen spalinový ventilátor. Schéma viz. Obr.1 VARIANTA 2 se od p edchozí liší zejména tím, že v ní není za azen regenerativní vým ník a parametry pr toku vzduchu a jeho teploty za turbínou. VARIANTA 3 a 4 také neuvažují s regenerativním vým níkem. Dále uvažují s p etlakem vystupujícího vzduchu z turbíny 10 kpa, tudíž i spalovací komora by byla konstruována jako p etlaková a nebyl by instalován spalinový ventilátor. U Varianty 4 je zásadní rozdíl ve vyšší teplot vzduchu p ed turbínou - 850 C. Tyto základní 4 varianty byly porovnány na základ bilan ního výpo tu, p i kterém však nebylo uvažováno s tepelnými ani tlakovými ztrátami. Stejn tak byla zanedbána vlastní spot eba za ízení, zejména p íkon spalinového ventilátoru. P i díl ích záv rech bylo konstatováno, že nízká celková ú innost je zp sobena zejména výrazným na ed ním spalin studeným vzduchem kv li redukci jejich teploty p ed sušárnou. Zejména p i využití regenerace, kdy do vým níku vstupuje již p edeh átý vzduch a výstupní teplota spalin je cca. o 200 C vyšší se pr tok spalin po z ed ní de facto zdvojnásobí. Nejen že nar stá komínová ztráta, znamenalo by to i neúm rný p íkon spalinového ventilátoru. Proto v dalších zp esn ních již varianta 1 nebyla uvažována. Zp esn ní a rozší ení navrhovaných variant Na základ získaných hodnot bylo rozhodnuto o zp esn ní výpo t variant 2 až 4 a to ve dvou variantách. Varianty A - uvažuje se zapo ítáním tepelných ztrát ob hu, jež byly stanoveny áste n výpo tem, ást z provozních zkušeností na obdobné jednotce o výkonu 80 kwe [2]. Dále byl na základ známého pr toku spalin stanoven p edpokládaný p íkon spalinového ventilátoru [3]. U t chto variant je vždy uvažováno s dochlazením spalin smísením se studeným vzduchem a jejich využití v sušárn biomasy. Varianty B - u t chto variant je oproti p edchozí var. A mísení spalin a studeného vzduchu nahrazeno ochlazením spalin ve vým níku spaliny/voda a jejich využití v sušárn biomasy, ímž se sníží pr tok spalin do komína, dochází ke snížení komínové ztráty a p íkonu spal. ventilátoru. Jako alternativní varianty výše uvedených možností byly hodnoceny varianty s využitím p etlakového ho áku na pelety s možností p ímého zavedení spalin na turbosoustrojí. Vzduch stla ený kompresorem bude zaveden do p etlakového 42
ho áku pelety. Horké spaliny budou ve vým níku spaliny/voda vychlazeny na požadovanou teplotu vstupu na turbínu a musí mít definovaný, požadovaný pr tok. Spaliny vystupující z turbíny budou op t ve vým níku spaliny/voda dochlazeny na požadovanou teplotu pro sušárnu. Varianta 5 uvažuje turbosoustrojí shodné s variantou 2 (750 C, 101,3kPa za turbínou), varianta 6 uvažuje turbosoustrojí shodné s variantou 3 (750 C, 111,3kPa za turbínou), tj. p etlakové ešení sušárny bez spalinového ventilátoru. Obr. 2 Schéma navrhované technologie var. 6 Výpo et variant 5 a 6 byl vždy proveden pro r zné hodnoty sou initele p ebytku vzduchu. Bylo po ítáno se sou initelem v intervalu 1,8 3,6. P i rostouc m p ebytku vzduchu klesá teplota spalin v komo e a tím i pot eba chlazení spalin p ed turbínou (p íkon teplovodního vým níku). Hrani ní hodnotou je cca. = 3,6, kdy výsledná teplota spalin, po zapo tení ztráty, odpovídá požadované teplot spalin p ed turbínou viz. Tabulka 1. Tab.. 1 Porovnání výsledk variant s peletovým ho ákem varianta 5 Sou initel p ebytku vzduchu Množství paliva Teplota spalin z ho áku Tepelný výkon chlazení za ho ákem Tepelný výkon chladi e za turbínou Tepelný p íkon sušárny [kg/h] [ C] [kw] [kw] [kw] 3,6 427,6 807 21 851 270 3 508,5 913 346 855 271 2,4 627,2 1060 815 862 272 1,8 818,0 1281 1559 872 275 Tepelný výkon celkový Elektrický výkon Elektrická ú innost Tepelná ú innost Celková ú innost [kw] [kw] [%] [%] [%] 3,6 1142 193,2 9,4 55,6 65,0 3 1772 193,2 7,9 60,2 68,1 2,4 1950 193,2 6,4 64,7 71,1 1,8 2706 193,2 4,9 68,8 73,7 Obecn lze íci, že s rostoucím p ebytkem vzr stá elektrická ú innost, klesá výkon tepelný, ale také celková ú innost. Z porovnaných variant lze doporu it variantu s maximálním možným p ebytkem vzduchu, kdy by nebylo nutné instalovat vým ník mezi komoru a turbínu, teplota spalin by byla regulována p ímo v komo e. Jednak toto ešení p inese investi ní úspory, jednak odpadnou p ípadné problémy s uplatn ním získaného tepla. Tato varianta p ináší maximální elektrickou ú innost. V následující tabulce 2 je provedeno zhodnocení jednotlivých variant 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5 a 6 a jejich porovnání s p vodními variantami 2-4 bez uvažovaných ztrát a vlastní spot eby spalinového ventilátoru. Zjist né výsledky v podstat korespondují z údaji zjišt nými p i spolupráci na vývoji a zprovoz ování obdobné jednotky o výkonu 80 kwe [1]. 3 Ekonomické porovnání navržených variant V p edchozích kapitolách bylo navrženo n kolik možných variant mikrokogenera ních jednotek spalujících biomasu. Optimální variantu je nutno hledat také pomocí ekonomického p ínosu celého projektu. K takovému hodnocení lze nejlépe využít ukazatele, které jsou všeobecn používány. Je to Net Present Value (NPV), která vyjad uje zhodnocení investice se zapo tením náklad na kapitál v ase, v daném asovém horizontu nej ast ji daném životností za ízení. Dalšími ukazateli jsou prostá návratnost investice (nepo ítá se zm nou hodnoty pen z v ase) a diskontovaná návratnost, Internal Rate of Return (IRR) vyjad ující procento zhodnocení kapitálu. Mén d ležitými ukazateli jsou Payback Period (PP), index rentability (IR) a Return of Investment (ROI). Pro základní ekonomické zhodnocení je t eba dob e ur it ceny vstupních i výstupních komodit. P edevším je t eba mít reálné hodnoty investic a fixních náklad. Pro ú ely našich studií byly ur eny ceny základních prvk jednotky, drobná vydání a vícepráce jsou bu to zahrnuty v jednotlivých prvcích nebo zanedbány. Fixní náklady zahrnují pouze náklady p ímo spojené s provozem jednotky, náklady na další služby (nap. ú etnictví, režie firmy atp.) se zanedbávají. 43
Tab. 2 Celkové porovnání všech variant ovšem Množství vzduchu Teplota p ed turbínou Teplota za turbínou Tlak za turbínou Množství paliva Pr tok spalin P íkon ventilátoru Elektrický výkon Tepelný p íkon sušárny Tepelný výkon vodního chlazení Elektrická ú innost Tepelná ú innost Celková ú innost [kg/s] [ C] [ C] [kpa] [kg/h] [kg/h] [kw] [kw] [kw] [kw] [%] [%] [%] Var. 2 2,59 750 503 101,3 416,0 20688 0 200 791 0 14,4 43,4 57,8 Var. 2A 2,59 750 503 101,3 559 19083 35 165 557 0 8,85 29,9 38,8 Var.2B 2,59 750 503 101,3 559 9960 18 182 297 378 9,75 36,2 45,9 Var. 3 3,13 750 518 111,3 490,7 25343 0 200 601 0 12,2 45,0 57,3 Var. 3A 3,13 750 518 111,3 652,7 23333 0 200 681 0 9,2 32,3 40,5 Var.3B 3,13 750 518 111,3 652,7 12031 0 200 364 461 9,2 37,9 47,1 Var. 4 2,33 850 597 111,3 379,5 18112 0 200 737 0 15,8 41,7 57,5 Var. 4A 2,33 850 597 111,3 515 17144 0 200 501 0 11,6 29,2 40,8 Var.4B 2,33 850 597 111,3 515 8994 0 200 268 336 11,6 35,2 46,8 Var. 5 3,6 750 503 101,3 428 9324 6,8 193,2 270 872 9,4 55,6 65,0 Var.6 3,6 750 518 111,3 517 11268 0 200 326 1106 8,0 57,7 65,7 Tab 3 P ehled vstupních investic a fixních náklad Investice zply ova 2 mil. K turbogenerátor 5 mil. K vým ník spaliny-vzduch 2 mil. K vým ník spaliny-voda 400 000 K Fixní náklady servis 375 000 K /rok náklady na obsluhu 75 000 K /rok Dále je t eba ur it ceny vstup (palivo) a prodejní ceny výstup (elektrická energie a teplo). Ceny energií lze ur it podle trendu tržních cen nebo, je-li to možné, podle výše státem garantovaných výkupních cen i zelených bonus. Pro provedení výpo tu byly ur eny i další veli iny - doba provozu 7500 hod/rok, diskont 6 %. O zanedbávání ztrát a dalších veli in bylo již psáno d íve, stejn tak nejsou zohledn ny možné zm ny v cenách paliva i obou generovaných energií v ase. Jejich prognóza je velice složitá a je nad rámec tohoto lánku. Tab. 4 P ehled cen paliva a výkupních cen energií Prom nné náklady a prodejní ceny cena paliva št pka 2100 K /t cena paliva pelety 4200 K /t výkupní cena elekt iny 3875 K /MWh prodejní cena tepla (v etn 350K /GJ zeleného bonusu) Na základ stanovaných hodnot náklad a výnos byla pro posouzení jednotlivých variant provedena analýza. Výsledky analýzy jsou patrné z grafu na Obr. 3 a z tabulky 5. Z grafu je patrné, že nejkratší dobu návratnosti mají varianty 5 a 6, nejvyšší výnos po ur enou dobu životnosti lze o ekávat z projekt navržených podle variant 4B a 3B. Varianty bez možnosti využití zbytkového tepla ve vým níku (varianty A) se jeví jako nejhorší, investice do varianty 2A se dokonce zaplatí až na samém konci doby životnosti. Varianty 3B, 4B, 5 a 6 mají také dobrou dobu návratnosti 5-6 let. Obr. 3 DCF uvažovaných variant P i posuzování ekonomických studií je t eba provést také citlivostní analýzu na jednotlivé veli iny, aby bylo dop edu z ejmé, jak zm na jednotlivé veli iny ovlivní p edpokládaný výsledek. Pro tuto studii byly jako základní veli iny pro citlivostní analýzu vybrány investice, cena paliva, výkupní cena elektrické energie a prodejní cena tepla. Citlivost jednotlivých variant pro tyto veli iny byla vesm s stejná, proto byl d kladný propo et proveden pro varianty 4B a 5. Zkoumal se vliv vybraných veli in na NPV a diskontovanou dobu návratnosti. 44
Tab. 5 Ekonomické parametry porovnávaných variant Var. 2A Var. 2B Var. 3A Var. 3B Var. 4A Var. 4B Var.5 Var.6 prostá doba návratnosti rok 11.19 3.94 5.93 3.30 4.53 3.21 3.04 2.87 Dis. doba návratnosti rok 19.50 6.86 10.34 5.75 7.90 5.60 5.30 5.01 PP -23.96 13.35 2.50 17.29 9.63 17.89 17.93 19.18 NPV tis,k 5715,3 18 185, 5 8 409,1 23 517,4 13 774,5 24 438,3 20 817,5 22 428, 3 IRR % 3.5% 26.8% 14.4% 33.1% 20.9% 34.2% 27.5% 29.4% IR 1.03 2.91 1.93 3.48 2.53 3.57 3.78 3.99 ROI % 5.1% 14.6% 9.7% 17.4% 12.7% 17.9% 18.9% 20.0% Výsledky citlivostní analýzy jsou patrné z graf na Obr. 4 až 7, kde je pro p íklad uvedena závislost NPV a doby splatnosti na cen tepla a investicích. Na základ výpo tu lze íci, že na cen paliva, výkupní cen elektrické energie a prodejní cen tepla je jak NPV, tak doba návratnosti siln závislá, doba návratnosti dokonce exponenciáln. Oproti tomu je závislost na cen investice minimální. Obr. 6 Závislost NPV na výši investice Obr. 4 Závislost NPV na prodejní cen tepla Obr. 7 Diskontovaná doba návratnosti v závislosti na výši investice 4 Celkové zhodnocení a porovnání jednotlivých variant Obr. 5 Diskontovaná doba návratnosti v závislosti na prodejní cen tepla U varianty 2 se s elektrická ú innost se snížila cca o 5%, celková o více než 10%, a to vlivem jak tepelných ztrát, tak zejména snížením istého elektrického výkonu. A koliv u varianty 3 není nutno uvažovat s p íkonem spalinového ventilátoru, není elektrická ani celková ú innost výrazn vyšší než u varianty 2A a 2B. U varianty 4 je dosaženo nejvyšší elektrické ú innosti z p vodn ešených variant, a to z d vodu vyšší teploty vzduchu p ed turbínou. Odpadá zde také významný podíl vlastní spot eby ventilátoru, nicmén celá technologie by 45
musela být ešena jako p etlaková, což by p ineslo ur ité komplikace p i t sn ní spalovacího za ízení, nicmén toto ešení je technicky ešitelné. Stejn jako problematika chlazení kotle a roštu p i spalování velmi horkým spalovacím vzduchem, jež na druhé stran umožní spalovat i horší, velmi vlhké palivo. Ve všech p ípadech se jako výhodn jší jeví alternativní varianta B, kde je místo p ívodu studeného vzduchu za azen vým ník pro oh ev topné vody za ú elem snížení teploty spalin na teplotu požadovanou ve vým níku (175 C). Nejvyšší elektrická ú innost byla dosažena u p vodní varianty 4 s klasíckým kotlem a oh evem vzduchu ve vým níku. Nejvyšší celková ú innost byla stanovena pro varianty s p ímým zavedením spalin do turbosoustrojí s využitím peletového ho áku. A koliv elektrická ú innost nedosáhla p edpokládaných hodnot 15-20%, jsou získané výsledky adekvátní nap íklad p i porovnání s technologíí ORC Je t eba si uv domit, že publikované údaje ú innosti ORC technologií v intervalu 17-18% [3] se vztahují pouze na samotnou ORC jednotku. Za vstupní tok energie uvažují teplo nesené termoolejem. Není zde zapo ítána ú innost kotle, vlastní spot eba kotle a spot eba termoolejového okruhu ( erpadlo oleje). Jedná se tedy o mírn zavád jící údaj. Po zapo ítání veškerých ztrát a všech vlastních spot eb a ú innosti kotle, byla stanovena istá elektrická ú innost ORC technologie vztažená k energii v palivu stanovena kolem 11%. P i sníženém výkonu na hranici 50% klesá celková elektrická ú innost pod 9% pro jednotku o výkonu 1MWe. Z ekonomického hlediska vychází nejlépe, a tém totožn, 3B, 4B, 5 a 6. Jejich návratnost je v intervalu 5-6 rok. Je tedy možné se rozhodnout mezi t mito variantami na základ technických kritérií. Tato volba byla p edložena zadavateli. Výhody a nevýhody jednotlivých variant lze stru n shrnout následovn : - varianty 3B a 4B produkují mén tepla p i shodném elektrické výkonu, což usnadní jeho kompletní využití - varianta 4B p edpokládá oproti var. 3B vyšší teplotu oh átí vzduchu na 850 C, což je limitní hodnota výrobce turbosoustrojí a m že p inést i problémy s velikostí a teplotním zatížením, resp. chlazením vým níku, což potvrzují i praktické zkušenosti z jiných instalací - varianta 4B naopak dosahuje vyšší elektrickou ú innost než varianta 3B, celková ú innost je srovnatelná - ob varianty uvažují s využitím horkého spalovacího vzduchu o tlaku 10 kpa, tudíž je nutno ešit spalovací jednotku jako p etlakovou, což p ináší ur ité problémy nap. s proho íváním dopravních cest paliva - u variant 5 a 6 odpadá nutnost instalace vým níku spaliny/vzduch, což je výrazná investi ní úspora, je dosaženo výrazn vyšší celkové ú innosti - nicmén nevýhodou t chto variant 5 a 6 je v tší produkce tepla, nutnost využívání standardizovaného kvalitního paliva (pelety), konstrukce ho áku pro spalování p i tlaku 40 bar a zejména nutnost nulového obsahu tuhých ne istot ve spalinách, které proudí p ímo do turbosoustrojí. 5 Záv r Tento p ísp vek shrnuje situaci v oblasti produkce energie v eské republice, se zam ením na cíle a sm ování energetického sektoru v R. Zaobírá se využíváním obnovitelných zdroj a odpad. Ve druhé ásti jsou uvedeny hlavní oblasti výzkumu na Energetickém ústavu, VUT FSI v oblasti mikrokogenerace s využitím spalování biomasy. V p ísp vku je popsána technickoekonomická optimalizace návrhu nové jednotky, s projektovaným elektrickým výkonem 200 kw. V záv ru je provedeno porovnání výsledk. Elektrická ú innost vychází v intervalu 9-12 %, celková ú innost jednotky je 65 %. Z ekonomické analýzy vyplývá návratnost jednotky 5-8 rok. Tyto jednotky mohou najít uplatn ní v provozech, kde je získáváno palivo jako odpad z d eva ské, d evozpracující nebo zem d lské výroby. Zárove musí být zajišt n celoro ní odb r zbytkového tepla. ešitel projektu také p edpokládá export a využití technologie v rozvojových zemích s nedostate nou rozvodnou sítí. V t chto lokalitách bývá v tšinou dostate né množství velmi levné biomasy nedostatek elektrické energie. Pro tyto ú ely by takováto navržená technologie byla vhodným ešením. Pod kování Tento p ísp vek vznikl za podpory projektu MPO FR-TI4/353. Použitá literatura [1] BALÁŠ, M.; KOHOUT, P.; LISÝ, M.; OCHRANA, L.; SKÁLA, Z. Sou asné výsledky zply ování na stendu BIOFLUID 100. Kotle a energetická za ízení 2006, 2007, ro. 15,. 1, s. 1 ( s.)issn: 1801-1306. 46
[2] LISÝ, M.; ŠTELCL, O.; BALÁŠ, M.; SKÁLA, Z. New cogeneration technology for small industrial application. Acta metalurgica slovaca, 2011, ro. 2,. 1, s. 126-131. ISSN: 1338-1660. [3] KUNC J.: ORC technologie v realizaci (II) - Trhové Sviny, srovnání, Cited: 10.3.2013, Cited from z: http://www.tzb-info.cz/2834-orctechnologie-v-realizaci-ii-trhove-sviny-srovnani 47