HODNOCENÍ KOGENERACE Z BIOMASY Mhal Bran Cílem příspěvku je seznám čenáře o prnpeh, výhodáh a nevýhodáh kogenerae. Dále se příspěvek zabývá harakerskou meod dělení nákladů na eplo a elekřnu př kogenerační výrobě. Dle jedné z meod jsou v závěru hodnoeny ř nejvyspělejší ehnologe pro kogenera z pevné bomasy. Klíčová slova: kogenerae, náklady, bomasa ÚVOD Bomasa předsavuje významný obnovelný zdroj energe a zaslouží s raonální využívání. Nejdokonalejší využí její energe nabízí výroba epla. Zájem o výrobu elekřny a současně vysokou účnnos ransformae energe palva vede ke kogenerační výrobě, kerá má řadu nespornýh výhod. Př ehnko-ekonomkém hodnoení provozu kogeneračního zdroje není jednoznačné, jak odděl náklady na výrobu epla od nákladů na výrobu elekřny. Pro dělení nákladů exsuje několk meod, keré se vele lší a ovlvňují výslednou enu jednolvýh energí. Článek využívá zveřejněnýh výsledků projeku IEA [4] a předsavuje vhodný a raonální způsob akového hodnoení. Dle něj porovnává ř nejvyspělejší ehnologe pro kogenera z pevné bomasy. Defne KOGENERACE Kogenerae je společná posupná nebo současná produke konečnýh forem energí přeměněnýh z prmární formy energe v ransformačníh řeězíh a přpravenýh k využí u spořebele. Kombnovaná výroba elekrké energe a epla se označuje jako KVET nebo kogenerae (), v anglké lerauře se pak uvádí označení CHP (Combned Hea and Power). Kombnovaná výroba elekrké energe a epla se uskuečňuje v energekýh výrobnáh zv. eplárny nebo kogenerační jednoky (J). Výroba může probíha v jednom řeěz (parní nebo plynový oběh, spalovaí moor, palvový článek) nebo ve dvou ransformačníh řeězíh (paroplynový oběh). Sousava pro výrobu a dopravu energí o určýh paramereh se nazývá kogenerační sysém (KS). Výhody kogenerae Kogenerae nabízí několk nespornýh výhod, z nhž nejvýznamnější je energeká výhodnos. Celková účnnos př kogenera je o desíky proen vyšší než př výrobě oddělené. Rozdíl mez účnnosm závsí na použýh ehnologíh, respekve na účnnoseh ěho ehnologí. Vyšší elková účnnos výroby energí vede ke snížení spořeby prmárníh energekýh zdrojů, ož vede k nžším produkím znečšťujííh láek a skleníkovýh plynů. Porovnání účnnosí v Sankeyovýh dagrameh zahyuje obrázek na následujíí sraně. Další výhodou je možnos deenralzae ěho zdrojů, kerá umožňuje využí lokálníh zdrojů a spořebu v mísě výroby, kerá aké souvsí s bezpečnosí dodávky energí. S lokální výrobou a spořebou energí souvsí aké snížení dsrbučníh zrá obou energí. Tehnologe kogenerae je vele varablní a dovoluje snadné uzpůsobení různým projekovaným nebo sávajíím ehnologím, akže nevznkají věší poíže př aplkae zdroje. Nespornou výhodou kogenerační výroby je aké zvýšení konkurene na rhu s energem. Ing. Mhal Bran, VŠB-TU Osrava, VEC, 17. lsopadu 15, 708 33 Osrava Poruba, mhal.bran@vsb.z / 15 /
Podmínka kogenerae Podmínkou kogenerae je spořeba vyrobeného epla, ož není vždy jednoduhé. Klmaké podmínky časo nedovolují využí eplo pro vyápění eloročně, využí epla pro ehnolog je podmíněno exsení ehnologe a využí epla pro rgenera je nákladnou záležosí. Obr. 1 Porovnání účnnosí pro oddělenou výrobu (vlevo) a kogenera energí (vpravo) Tab. 1 Paramery ehnologí využelnýh pro kogenera z pevné bomasy Tehnologe Účnnos [%] Výkon Sav vývoje Parní sroj 10 12 0,2-2 MW komerční využí Parní urbína 15 40 0,5-240 MW komerční využí Organký Ranknův yklus 10 18 0,3-1,5 MW komerční využí Spalovaí moor 27 31 0,015-2 MW demonsrační jednoky IGCC 40 55 10 MW demonsrační jednoky Šroubový parní sroj 10 12 0,02-1 MW demonsrační jednoky Srlngův moor 18 24 0,5-100 kw demonsrační jednoky Mkrourbína 20 30 5-250 kw výzkum a vývoj Palvový článek 37 45 0,02-2 MW výzkum a vývoj EKONOMIKA PŘI KOGENERACI Jakákol komerční čnnos je movována zskem a ne jnak je omu v energee. Zsk voří rozdíl mez výnosy a náklady, kerá jsou fxní (FN) (kapálové náklady spláky + úroky, praovní síla plaená časově, údržba a opravy, pojsné aj.) a varablní (VN) (palvo + doprava, praovní síla plaení úkolově, voda, mazvo, energe apod.). Veškeré náklady spojené s kogenerační výrobou lze rozděl na náklady spojené s výrobou epla a náklady spojené s výrobou elekřny. Dělení nákladů je důležé pro určení odpovídajííh en energí a zamezení doae jedné energe druhou. Meod pro dělení nákladů je několk a mohou se kombnova: fyzkální meody (pouze VN) - energeká, ermodynamká, exergeká a nová fyzkální meoda, meody alernavníh zdrojů, proporonální meoda (pouze VN), meoda dělení užku, obhodní meoda. / 16 /
Energeká meoda Prnpem meody je dělení nákladů v poměru vyrobenýh energí, ím ale hodnoí vyrobené energe sejně bez ohledu na jejh kvalu a věší podíl varablníh nákladů přřazuje eplu. Varablní náklady na eplo a elekřnu se dělí dle následujííh vzahů. VN VN e = = P1 P1 P1 E = E + Q Q = E + Q = β = β en e en V uvedenýh vzazíh je enalpe páry a β je součnel dělení nákladů. Obr. 2 -s dagram vodní páry energeká meoda Obr. 3 -s dagram vodní páry ermodynamká meoda Termodynamká meoda Prnpem je dělení nákladů v poměru vyrobenýh energí, přčemž se uvažuje pouze s využím energe pro monovýrobu elekřny. Tao meoda je vele podobná exergeké meodě, v případě kdy je eploa v kondenzáoru oožná s eploou okolí je s exergekou meodou oožná. Tao meoda se považuje za objekvní meodu, věší podíl nákladů přpsuje elekřně. Výpoče vyhází z obdobného vzahu jako u předhozí meody a obrázku uvedeného výše. Exergeká meoda Meoda vyžaduje znalos ermodynamky, prauje s poměrem exergí. Exerge je čás energe, kerou lze využí pro prá vzhledem k podmínkám okolí. Meoda je nejobjekvnější ale komplkovaná pro využí. Nová fyzkální meoda Meoda předpokládá, že relavní úspora palva př výrobě elekřny kogeneraí vůč oddělené výrobě je shodná s úsporou palva př výrobě epla kogeneraí vůč oddělené výrobě epla. Meody alernavního zdroje Tyo meody mají 2 varany: meoda alernavního zdroje epla a meoda alernavního zdroje elekřny. Obě varany vyházejí ze sejného prnpu, kdy jsou náklady na výrobu jedné z energí kogeneraí dány náklady na výrobu éo energe o sejném výkonu př oddělené výrobě. Náklady na druhou energ pak voří rozdíl mez / 17 /
elkovým náklady J a náklady na výrobu prvně uvedené energe. Touo meodou lze rozdělova jak varablní ak fxní náklady, zn. že je nuné přesně sanov komplení náklady na výsavbu provoz alernavního zdroje. Meodu s přblížíme na meodě alernavního zdroje epla. Př určování nákladů je nuné uvažova se sejným palvem. Př kalkulaíh náhradního zdroje epla výopny (V) je nuné uvažova se zdrojem o sejném výkonu, ale uvažuje se s horkovodním zdrojem, čímž výrazně klesají fxní náklady na eplo, jelkož horkovodní ehnologe jsou výrazně levnější. Z pohledu dělení varablníh nákladů přděluje ao meoda věší podíl nákladů eplu, a zvýhodňuje ak elekřnu. U meody alernavního zdroje elekřny je omu naopak. N N e = N = N V N Vele podobné výsledky vykazuje proporonální meoda, jelkož vyhází z účnnos alernavního zdroje epla. Meoda dělení užku dělí náklady mez eplo elekrkou energ podle účnnos alernavníh zdrojů. Podrobněj se všem meodám věnuje leraura [1]. Obhodní meoda Podle éo meody se varablní náklady dělí dle prodejníh en epla a elekřny a přímky hospodárnos J. Řeší se grafky nebo maemaky. Následujíí obrázek znázorňuje ř přímky, mez kerým vznká rojúhelníková oblas, ve keré je provoz kogenerační jednoky hospodárný. přímka hospodárnos prodejní ena elekřny prodejní ena epla ena elekřny [p.j./mwh] konkurene shopná oblas pro kogenera ena epla [p.j./mwh] Obr. 4 Grafké řešení obhodní meody Výběr meody ovlvňují především vlasnos rhu, zn. supněm regulae rhu. V deregulovanýh sysémeh je možné enu sanovova s ohledem na enu energí z konkurenčníh zdrojů, ož dovoluje dosažení maxmálního zsku. Varablní náklady na jednolvé energe by neměly bý věší než náklady určené meodou alernavníh zdrojů. KOGENERACE Z BIOMASY Dle Asoae němekýh nženýrů (VDI) a meodky VDI 2067, Rakouskýh norem, IEA a z pohledu raonálního využívání ohoo enného zdroje je vhodná: meoda alernavního zdroje epla. / 18 /
Př kalkula je nuné přesně urč veškeré náklady na alernavní zdroj - nvesční náklady (každou čás ehnologe zvlášť, dle odpsovýh sazeb převés do kapálovýh nákladů), spořební náklady, provozní náklady a osaní náklady. Od přesnos éo kalkulae se pak odvíjí přesnos určení en jednolvýh energí. Výhodou éo meody je určení jak varablníh ak fxníh nákladů, zamezení sporů zda ehnologe paří k výrobě epla č elekřny, možnos porovnání s jným zdroj a omezení doae jedné energe druhou. Jak dělí ao meoda nvesční náklady a výrobní náklady na jednolvé energe pro J s parní urbínou je parné z následujííh dvou abulek. V první abule je vdě např. zařazení nves na budovy a pozemky do nákladů na eplo, dále výrazně levnější horkovodní koel opro parnímu a velké náklady na pořízení kogeneračního modulu, kerý navyšuje nvese na elekrkou čás. V další abule je parné dělení spořebníh nákladů, kdy je věší čás přsuzována eplu, a dále elkové měrné náklady na vyrobené energe. Tab. 2 Dělení nvesčníh nákladů, keré následně určují kapálové náklady [4] Čás zdroje Jednoka Invese souvsejíí s výrobou epla elekřny Budovy, pozemky [ ] 1 828 000 - Koel [ ] 300 000 4 600 000 Čšění spaln [ ] 60 000 450 000 Doprava a skladování popela [ ] 80 000 40 000 Doprava palva [ ] 600 000 200 000 Elekronsalae [ ] 100 000 570 000 Tlakové rozvody [ ] 20 000 20 000 Kogenerační modul (urbína, generáor ad.) [ ] - 4 100 000 Projeky [ ] 100 000 620 000 Sklad palv [ ] 600 000 - Mosní váha [ ] 100 000 - Osaní nvesční náklady [ ] 400 000 2 170 000 Úvěrové náklady [ ] 66 000 - Invesční náklady [ ] 4 254 000 12 770 000 Tab. 3 Výrobní náklady na eplo a elekřnu [4] Paramer Jednoka Výrobní náklady souvsejíí s výrobou epla s výrobou elekřny Úroková míra [%/rok] 4,6 4,6 Kapálové náklady [ /rok] 293 482 1 621 802 Měrné kapálové náklady [ /kwh ] 0,0036 0,0627 Cena palva - vzažená k výhřevnos [ /kwh] 0,0160 0,0160 Odsranění popela [ /rok] 76 087 23 913 Náklady na palvo [ /rok] 1 430 435 449 565 Cena elekrké energe [ /kwh ] 0,0730 0,0730 Náklady na elekřnu [ /rok] 103 710 67 044 Náklady na dodaečné eplo [ /rok] - 100 815 Hlavní spořební náklady [ /rok] - 110 000 Spořební náklady [ /rok] 1 610 232 751 337 Měrné spořební náklady [ /kwh ] 0,0196 0,0291 Hodnová mzda [ /h] 26,0 25,5 Poče hodn ročně [ /rok] 3 920 2 360 Managemen [ /rok] 13 114 30 600 Celkové náklady na mzdy [ /rok] 113 074 90 780 Údržba [ /rok] 53 725 161 275 Provozní náklady [ /rok] 166 799 252 055 Měrné provozní náklady [ /kwh ] 0,0020 0,0098 Osaní náklady [ /rok] 40 000 136 000 Měrné osaní náklady [ /kwh ] 0,0005 0,0053 Celkové náklady na výrobu energe [ /rok] 2 110 513 2 761 195 Měrné náklady na výrobu energe [ /kwh] 0,0257 0,1068 / 19 /
Hodnoení ehnologí Podle uvedené meody byly hodnoeny ř nevyspělejší ehnologe pro kogenera epla a elekrké energe z pevné bomasy. Jednalo se o ehnologe využívajíí parní urbínu (PT), organký Ranknův yklus (ORC) a Srlngův moor (SM). Paramery jednolvýh ehnologí jsou parné z abulky. Z abulky je aké parné, že všehny aplkae praují mnmálně 5000 hodn ročně, ož je pro enu vyrobené energe podsané. Nuno podoknou, že prmárně je vyráběno eplo, výroba elekřny je pouze dodaečnou výrobou a zdroje nepraují an čásečně v kondenzačním režmu. Pokud zhodnoíme jednolvé ehnologe z pohledu nvesčníh a výrobníh nákladů je dle [4] nejlevnější v obou případeh ehnologe ORC. Tab. 4 Porovnání ehnologí pro kogenera z pevné bomasy Paramer Jednoka PT ORC SM Elekrký výkon zdroje (jmenový) [kw el ] 4 400 1 100 70 Tepelný výkon zdroje (jmenový) [kw ] 13 032 4 969 500 Roční využí jm. výkonu [h/rok] 5 750 5 000 5 367 Roční elekrká účnnos [%] 20,7 14,5 10,6 Roční elková účnnos [%] 87,5 88,0 86,0 Výroba elekřny [kwh el /rok] 25 225 000 5 500 000 375 690 Výroba epla * [kwh /rok] 91 788 712 62 191 379 6 900 000 Celkové nvese [ ] 17 918 702 8 959 850 2 181 410 Invese na elekrkou čás [ ] 11 479 200 2 974 000 245 200 Invese na epelnou čás [ ] 6 439 502 5 985 850 1 936 210 Měrné nvesční náklady na elekrkou čás [ /kw el ] 2 601 2 704 3 503 na epelnou čás [ /kw ] 367 429 645 elkem [ /kw] 845 595 711 Měrné výrobní náklady př výrobě elekřny [ /kwh el ] 0,1075 0,1248 0,1418 př výrobě epla [ /kwh ] 0,0259 0,0313 0,0512 elkem [ /kwh] 0,0437 0,0389 0,0558 ZÁVĚR Bomasa je enný domáí zdroj energe. Je o kvalní a akumulovaelný obnovelný zdroj. Je pořeba jej využíva raonálně zn. v proeseh s maxmální možnou účnnosí. Vysoké účnnos lze dosáhnou př výrobě epla a př kogenera s prorou výroby epla. Správné fnanční analýzy provozu kogeneračníh zdrojů využívajííh bomasu napomohou jejh raonálnímu rozvoj a zároveň efekvnímu využívání bomasy. POUŽITÁ LITERATURA [1] HOLOUBEK, D.: Kombnovaná výroba elekrny a epla, rgeneráa a epelná seť [2] DVORSKÝ, E., HEJTMÁNKOVÁ, P.: Kombnovaná výroba elekrké a epelné energe. Praha: Nakladaelsví BEN ehnká leraura, 2005. 276 s. ISBN 80-730-118-7 [3] NOSKIEVIČ, P., BRANC, M,: Tehnké a ekonomké aspeky kogenerační výroby epla a elekřny. In Energeka 8-9/57/2007. Praha: Český svaz zaměsnavaelů v energee, 2007, s. 243 247. ISSN 0375-8842. [4] OBERNBERGER, I. e.al.: Tehno-eonom evaluaon of seleed deenralzed CHP applaons based on bomass ombuson n IEA parner ounre, Fnal repor, BIOS, Boenergesysem GmbH, Graz (Ausra) 2004. hp://www.eab.nl / 20 /