Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad MIKROKOGENERAČNÍ JEDNOTKA SPALUJÍCÍ BIOMASU Jiří Šantín, Zbyněk Zelený Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Článek se zabývá možností vytěsnění uhlí z lokálních výtopen a menších provozů s vlastním zdrojem tepla. Pouhá náhrada uhlí biomasou je poměrně problematická zejména z důvodu její vyšší ceny a nutnosti promítnutí výše investice do nové technologie do ceny tepla. Jedním z možných řešení je instalace kogenerační jednotky. Prodej vyrobené elektřiny (popř. úspora pokrytím vlastní spotřeby) může velmi pozitivně ovlivnit celkovou ekonomickou bilanci instalace. SUMMARY The paper is engaged in the displacement of coal as a fuel from the local heating plants and small businesses with own heat source. The mere replacement of coal with biomass is relatively problematic, because of relatively higher price of biomass and the need for a new power source (depreciation will increase the total price of heat). One of the possible solution is the installation of cogeneration unit. The total economical balance of the plant can be positively affected by selling the produced electricity (or using it for own installation while lowering the own consumption). ÚVOD Převážná výroba elektrické energie v ČR stále pochází z fosilních zdrojů, konkrétně z hnědouhelných elektráren. Z fyzikální podstaty výroby elektřiny vyplývá jejich poměrně nízká účinnost, která se v současnosti zdaleka nepohybuje nad 40 %. Většina energie obsažená v palivu je tak bez užitku vypuštěna do ovzduší v podobě tepla. Pokud by bylo toto odpadní teplo využito k vytápění, celková dosažitelná účinnost takového zařízení by se mohla více než zdvojnásobit. Velké zdroje však nejsou zejména z důvodu jejich umístění ve velké vzdálenosti od sídel pro využití odpadního tepla vhodná. Alternativou k centrální výrobě elektřiny jsou lokální zdroje teplárny, které slouží k výrobě elektřiny i k vytápění sídel v jejich blízkosti. Obecně patří teplárenská výroba k jedné z nejúčinnějších v energetice. Využití stávajících technologií (zejména parních protitlakých turbín) pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla je ekonomicky výhodné pouze pro vyšší výkony. V případě centrálního zásobování teplem v menších obcích jsou ve většině případů zřízeny pouze lokální výtopny bez výroby elektřiny. SOUČASNÁ SITUACE LOKÁLNÍCH ZDROJŮ Řada menších zdrojů pro centrální zásobování teplem je v současnosti na hranici své životnosti a často v poměrně špatném technickém stavu. Drtivá většina z nich stále využívá jako palivo hnědé uhlí. Současná legislativa však v případě nutnosti výměny zdroje požaduje plnění velmi přísných emisních limitů, které lze v mnoha případech splnit pouze využitím obnovitelných zdrojů paliva, například biomasy. Její cena je však významně vyšší než cena původního paliva. Vzhledem k tomu, že provozovatel lokální výtopny prodává pouze teplo, musí se zvýšení nákupní ceny paliva zákonitě projevit i ve zvýšení ceny tepla pro odběratele. Provozovatel 277
výtopny navíc musí do ceny tepla promítnout i výši investice do nového zařízení. Takto může cena tepla narůst nad únosnou mez a dojde k postupnému odpojování jednotlivých odběratelů tepla a jejich přechod na vlastní zdroj domácí kotel. Ve většině případů se jedná o uhelný kotel s ručním přikládáním, jehož provozní účinnost vlivem nesprávného provozování může být dokonce výrazně nižší než účinnost původního centrálního zdroje. Snaha o přechod na vytápění obnovitelnými zdrojem biomasou tak často naráží na ekonomickou nevýhodnost oproti tradičnímu uhlí. VÝHODY MIKROKOGENERACE K navýšení konkurenceschopnosti využití biomasy lze s výhodou využít tzv. kombinovanou výrobu elektřiny a tepla, která je obecně výrobou s nejvyšším stupněm využití paliva. Provozovatel lokální výtopny může kromě tepla prodávat i elektrickou energii. Vzhledem k tomu, že se jedná o výrobu elektřiny z obnovitelného zdroje, může provozovatel využít i státní podpory a navýšení výkupní ceny elektřiny o tzv. Zelené bonusy. Cena tepla pro odběratele tak může být výrazně nižší než v případě pouhé výroby tepla. Pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (KVET) nízkých výkonů do 100 kw tepelných se v současnosti využívají kogenerační plynové motory, který využívají jako palivo zemní plyn (popř. zpracovávají bioplyn generovaný v bioplynových stanicích). Jejich nasazení je proto limitováno zejména nutností existence plynové přípojky. Pro řadu subjektů je zemní plyn jako palivo příliš nákladný. Navíc se opět jedná o fosilní palivo. Zařízení pro KVET z jiných paliv než je zemní plyn jsou v současnosti dostupná pouze pro řádově vyšší výkony (od jednotek MW), které proto nejsou vhodná pro menší instalace. V tomto případě jsou využívány různé druhy paliv, zejména dřevní štěpka, sláma nebo uhlí. Jednotka schopná kombinované výroby elektřiny a tepla z biomasy o tepelném výkonu do 100 kw, která by byla ekonomicky dostatečně výhodná, v současnosti na trhu neexistuje. VÝVOJ JEDNOTKY NA BIOMASU Myšlenka na vývoj domácí jednotky na biomasu na bázi organického Rankinova cyklu (ORC) vznikla již v roce 2008 na Strojní fakultě ČVUT v Praze. Následoval návrh a realizace první experimentální jednotky (obr. 1), jejímž základem byl kotel na dřevní pelety o tepelném výkonu 25 kw. Zařízení fungovalo podle očekávání a poskytovalo výkon přibližně 0,5 kwe. Zařízení však bylo koncipováno jako experiment pro ověření teoretických předpokladů a jednotka byla proto velmi rozměrná. Dalším krokem ve vývoji byla realizace funkčního modelu jednotky ORC pro využití odpadního tepla pod názvem WAVE LT (viz obr. 2). Ta je provozována jako zařízení pro testování nových generací expandéru. Jednotka dosahuje elektrického výkonu 1 kwe a je výrazně kompaktnější než první zařízení. V současnosti (2015) je těsně před dokončením zařízení WAVE 5, které bude využito pro testování v reálném provozu. Disponuje elektrickým výkonem 5 kwe. Zařízení je však primárně určeno pro využití odpadního tepla v bioplynových stanicích. Zařízení použitelné pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla z biomasy vychází koncepčně z modelů WAVE LT a WAVE 5. Využívá stejný typ výparníku, stejný expandér, generátor a elektroniku včetně způsobu regulace. Rozdílný je hlavně na straně zdroje tepla tím je v tomto případě ohniště a hořák na biomasu. Jednotka na biomasu s označením WAVE Enterprise se skládá ze dvou částí spalovacího zařízení a samotné ORC části. Spalovací zařízení tvoří hořák na dřevní štěpku. V prototypu je plánováno využít existující komerčně dostupný hořák, ale 278
vzhledem k tomu, že standardní hořáky na štěpku malých výkonů nejsou obecně příliš účinné, již probíhá paralelní vývoj vlastní technologie hořáku ve spolupráci s výrobcem kotlů na biomasu. Na spalovací komoru s hořákem navazuje speciální vinutý výměník, který je výsledkem předchozího vývoje ORC technologií WAVE. Jedná se o zcela novou koncepci kotlového výměníku. Ve standardním teplovodním kotli je teplosměnná plocha výměníku přímo integrována do stěn kotle. Slouží tak zároveň jako izolační vrstva mezi spalovací komorou a okolním prostředím. Takto řešený výměník však nelze použít jako výparník. Pracovní teplota organické látky je navíc výrazně vyšší než teplota vody ve standardním kotli, proto bylo nutné zvolit zcela odlišnou koncepci. Obr. 1 Experimentální jednotka ORC Obr. 2 Funkční model jednotky WAVE LT Obr. 4 3D model jednotky Wave Enterprise 279
Spalinový výměník je vyroben ze spirálovitě vinutých trubek. Okolní plášť se skládá z několika vrstev, díky kterým je umožněna rekuperace spalin a zároveň nedojde k navýšení dotykové teploty obalu výměníku nad dovolenou mez z hlediska bezpečnosti. Plášť výměníku je jednoduše otevíratelný, což je důležité zejména z důvodu jeho čištění. Na výměník navazuje cyklónový odlučovač, aby bylo možné dosáhnout co nejvyšší úrovně odloučení tuhých znečišťujících látek. Druhá část zařízení obsahuje lamelový expandér vlastní konstrukce, kondenzátor, čerpadlo a veškeré elektrické příslušenství potřebné pro provoz. Zařízení neobsahuje žádné regulační ventily na straně pracovní látky, provoz ORC jednotky je řízen pouze otáčkami čerpadla a zatížením generátoru. To umožňuje speciální algoritmus, který je ze znalosti přesných charakteristik jednotlivých prvků oběhu schopen predikovat stav jednotky a správně na něj zareagovat. Tab. 1 uvádí přepokládané parametry prototypu zařízení. Tab. 1 Technické parametry prototypu Technické parametry Vstupní teplota spalin do výměníku C 600 Teplota ORC média C 170 Tlak ORC média MPa 0,5 Průtok ORC média kg/s 0,17 Příkon v palivu kw 65 Tepelný výkon kw t 53 Elektrický výkon kw e 2 Rozměry m 2x1x2,8 Hmotnost kg 650 ZÁVĚR Snaha EU o navyšování podílu obnovitelných zdrojů naráží v současnosti na řadu technických i ekonomických problémů. V případě biomasy se jedná o relativně vysokou cenu a horší dostupnost ve srovnání s fosilními palivy, v případě sluneční a větrné energie zase o problematickou regulovatelnost výkonu, která navyšuje požadavky na přenosovou soustavu. Jednotka WAVE Enterprise má potenciál stát se zdrojem elektrické energie, který je naopak velmi dobře regulovatelný. V případě většího rozšíření těchto zařízení bude možné dálkově ovládat každou jednotku a vytvořit tak tzv. virtuální elektrárnu, tzn. zařízení, které se z hlediska přenosové soustavy chová jako jeden celek, ale fyzicky je složené z mnoha malých zdrojů. Tento systém by bylo možné využít zejména jako špičkový zdroj (vždy je nutné mít požadavek na teplo, ale to je možné řešit např. instalací akumulační nádoby). Systém vlastního inteligentního zdroje elektřiny a tepla, který je schopen efektivně komunikovat s veřejnou sítí, se může stát velmi dobrým technologickým základem pro rozšíření tzv. smart grids (silová elektrická i komunikační síť umožňující regulovat spotřebu a výrobu energie v reálném čase). Schopnost WAVE Enterprise vyrábět teplo i elektrickou energii může výrazně vylepšit provozní ekonomické parametry lokální výtopny a udržet cenu tepla na přijatelné úrovni. Dalším budoucím uplatněním jednotek bude zajištění zálohování napájení v oblastech, kde je veřejná síť často mimo provoz (v podmínkách ČR jsou to např. 280
horské chaty a penziony, apod.) nebo je poměrně nestabilní. Pro úspěšné uvedení na trh je třeba snížit rozměry zařízení a navýšit jeho účinnost. Dalším důležitým aspektem je zajištění dostatečné životnosti všech komponent. Optimalizace zařízení se bude úzce týkat i volbě vhodné technologie výroby tak, aby bylo možné minimalizovat výrobní náklady při zavedení sériové výroby. LITERATURA [1] MAŠČUCH, J., HRDLIČKA, J.: Perspektivy mikrokogenerace z biomasy v podmínkách ČR. Technika ochrany prostředí TOP 2009. 15. ročník medzinárodnej konferencie 2009. pp.337-342 [2] MAŠČUCH, J., VITVAROVÁ, M., VODIČKA, V. Kotel na biomasu pro ORC mikrokogenerační jednotku. Sborník přednášek z konference Energetika a biomasa 2010. pp 176-184 [3] ŠUROVSKÝ, J.: Mikroturbína, energetická revoluce pro 21. století. Instalace Praha, 2003 PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 281