Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad EKONOMICKY EFEKTIVNÍ VYUŽITÍ ODPADNÍHO TEPLA TECHNOLOGIÍ ORC Jakub Maščuch, Jakub Dytrich Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad ANOTACE Ačkoli je v současnosti na trhu dostupná celá řada ORC technologií na využití odpadního tepla, doposud nedošlo k jejich masovému rozšíření. Problematická přitom není technická stránka zařízení, ale ekonomické parametry provozu. Tento článek si klade za cíl nejen shrnout stávající situaci, ale i popsat novou koncepci ORC technologií, která je vyvíjena na Univerzitním centru energeticky efektivních budov v Buštěhradu. Technologii, která je nejen technicky efektivní, ale zároveň i ekonomicky životaschopná. SUMMARY Although a number of ORC based technology for waste heat recovery is available, none of them become widely accepted by the market. Technical parameters of relevant devices are more than sufficient, but economical parameters are frequently not met at all. This article aims to not only summarize the current situation, but also to describe the new concept of ORC technology, which is being developed at University Centre of Energy Efficient Buildings in Bustěhrad. ORC technology which is both technical effective and economical viable solution. ÚVOD Organický Rankinův cyklus (ORC) je v současnosti poměrně známou technologií. Jedná se o stejný princip jako klasický parní cyklus, který se výrazně liší pouze tím, že se jako pracovní látka používá médium s výhodnějšími termodynamickými vlastnostmi, než má voda. Používané pracovní látky patří většinou do skupiny organických substancí, popřípadě chladiv. Ačkoli lze některé jejich vlastnosti považovat za problematické (hořlavost, zdravotní závadnost), vhodně technicky řešené zařízení může být zcela bezpečné (např. v domácích chladničkách se vyskytují poměrně nebezpečné látky, ale zajištění naprosté těsnosti chladícího okruhu je tento problém zcela minimalizován). Samo označení ORC je poměrně široký pojem, který v sobě skrývá velkou řadu aplikací (využití odpadního tepla, kogenerace v teplárenství, mikrokogerace na úrovní desítek kwel). Jednotlivé technologie i aplikace se od sebe významně liší jak z pohledu technického, tak z hlediska ekonomiky. Uživatelé však k vlastní škodě tyto rozdíly často nevnímají a připravují se tak o výhody, na které by mohli správnou volbou dosáhnout. Pokud se zaměříme na ORC vhodná pro využití tzv. odpadního tepla, v současné době zejména z bioplynových stanic, ve světě existuje několik výrobců. Jedná se zejména o jednotky nizozemské společnosti Tri-o-gen (165 kwel ze spalin), americké Electratherm (45 110 kwel z teplé či horké vody). Nejvíce instalací má italská společnost Turboden produkující 173
jednotky o výkonu 200 15 000 kwel při využití biomasy jako paliva, tedy primárně ne pro využití odpadního tepla. U všech současných producentů ORC lze nalézt několik podobných obecných charakteristik. Snaží se u jednotek dosahovat velmi vysokých účinností produkce elektřiny, což vede k nutnosti instalovat určité minimální výkony a jednotky upravovat vždy na míru konkrétním u zákazníkovi. Pozitivní přínos této optimalizace je však často převážen značně vysokými investičními náklady na řešení. Ze zkušeností s distributory v ČR vyplývá, že poměrně často uvádí poněkud zavádějící údaje o ceně (orientační nabídková cena nemusí obsahovat všechny položky nutné pro zprovoznění zařízení) a/nebo ne zcela přesný výpočet produkce elektřiny, který je založen na průměrných či idealizovaných klimatických podmínkách. Přitom platí, že produkce ORC pří využití odpadního tepla kriticky závisí na teplotních parametrech na odvodu tepla z cyklu. Zkreslení údajů pravděpodobně vychází z poskytování obecných nabídek, protože není v silách distributora na každou poptávku reagovat nabídkou zcela upravenou podle provozních parametrů dané instalace, protože to sebou nese poměrně vysoké nároky na čas jejího zpracování. Investor se na druhou stranu může poměrně účinně bránit zakotvením vzorce pro určení minimálního ročního množství vyrobené elektřiny v závislosti na dodaném teple. Pokud je dohodnut vhodný způsob určování množství dovedeného tepla do zařízení, jde o investici s poměrně dobře zvládnutým rizikem. Kontrakty by měly v mnohem větší míře obsahovat záruky na vyrobené množství elektřiny a spolehlivost provozu a méně dosahování tabulkových účinností zařízení při předání. O kvalitě života investice jednoznačně rozhoduje kvalita uzavřeného kontraktu. Na základě zkušeností autora z přípravy investičních projektů v teplárenství byl v roce 2008 zahájen vývoj vlastní koncepce ORC zařízení, která by byla využitelná jak pro odpadní teplo, tak později pro teplo ze spalování biomasy. Klíčovým prvkem ve vývoji technologie je pracovní skupina, která není složena pouze z výzkumníků, ale je schopna ve vývoji zohlednit i ekonomické parametry finálního produktu a také tržní potenciál dané technologie. Obr. 1 Experimentální jednotka První experimentální ORC bylo zprovozněno v roce 2010, v letech 2012 a 2013 probíhala ochrana duševního vlastnictví a další vývoj technologie. V souvislosti se stavbou Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) ČVUT se sídlem v Buštěhradu se podařilo výzkumné a vývojové aktivity v oblasti decentralizované energetiky rozšířit a vytvořit solidní zázemí pro další rozvoj. Před rokem byla na UCEEB uvedena do provozu moderní laboratoř 174
LORCA (Laboratoř organických Rankinových cyklů a jejich aplikací), která je vybavena pro úspěšné pokračování výzkumu a vývoje této technologie. V polovině roku 2014 byl zprovozněn vývojový prototyp II. generace ORC a v současné době probíhá testování dalšího tzv. engineering prototypu. Jde o zařízení pro testování řešení, která budou aplikována v pilotních instalacích. Možnosti těchto instalací aktuálně vyhledáváme a máme připraveny modely EPC (energy performance contracting) pro jejich úspěšný průběh. Obr.2 Prototyp II. generace ODLIŠNOST ZVOLENÉ KONCEPCE Zařízení je koncepčně jednoduché a připravované tak, aby se pro investora významně snížila náročnost projekčních prací i přípravy investice ve smyslu například stavebních povolení a dalších procesů. Jednoduchost návrhu zařízení je zároveň klíčem ke spolehlivosti a efektivitě investice. Zařízení je také možné velmi rychle instalovat a uvést do provozu. Na druhou stranu vedou uvedené vlastnosti k relativnímu snížení účinnosti výroby elektřiny oproti konkurenci. Úspory v uvedených vedlejších nákladech investice a růst celkové spolehlivosti řešení však tento pokles účinnosti převyšují. Hlavní odlišností od konkurenčních řešení je však výkonová úroveň vyvíjeného zařízení. Dosavadní zkušenosti členů týmu potvrzují, že klíčem k ekonomickému využití odpadního tepla je sériová výroba do jisté míry univerzálních zařízení s nízkými náklady na realizaci projektu. To vede ke koncepci zařízení o výkonu 10 kw namísto konkurenčních minimálně 60 kw. V případě většího množství využitelného tepla lze nasadit více jednotek v paralelním zapojení. Obr. 3 Prototyp zařízení pro BPS (5 kwe) Zásadní změna, kterou uvedený koncept přináší, spočívá ve změně chápání přípravy projektu. Není nutné vynakládat statisíce až jednotky milionů na přípravu projektu, u kterého je omezená záruka, že instalace v budoucnu splní projektované parametry. Investor obvykle riskuje poměrně značné prostředky (např. obvyklá velikost investice do ORC v případě BPS je 8 20 mil. Kč) s nejistým výsledkem. Zařízení malého výkonu s jednoduchou instalací umožní jiný průběh investice. Výše zmíněné statisíce až jednotky milionů je možné investovat v rámci modelu EPC do malé jednotky, nasadit ji a vyzkoušet. Na základě zkušeností je pak v budoucnu možné park těchto jednotek v lokalitě rozšiřovat. Tento přístup znamená také jednu významnou provozní výhodu. Pokud se porouchá jedna 10 kw jednotka z 10, 90 kw zůstává v provozu. Porucha jakékoliv komponenty v jednotce o výkonu 100 kw znamená vyřazení 175
celého zařízení. Pojem spolehlivost při jejím tak zásadním vlivu na ekonomiku investice dostává zcela jiný význam. Nevýhodou této koncepce je vyšší záběr prostoru a nutnost postupovat v krocích. Riziko ze zmaření investice nebo z jejího špatného průběhu je však zcela minimální. Obr. 4 Konkurenční ORC zařízení ZÁVĚR Vyvíjená koncepce ORC zařízení na využití odpadního tepla se snaží již od svého počátku nenásledovat cestu již vyvinutých technologií. Tato cesta se jeví na první pohled jako jednodušší, rychlejší a na první pohled logická, výsledkem je však často technologie, která, ač velmi vyspělá, není příliš uplatnitelná na trhu. Ačkoli se technologie současných výrobců ORC od sebe poměrně odlišují (např. v použitém typu expandéru, pracovních podmínkách, pracovní látce, typu tepelného oběhu, druhu výměníků, použití rekuperace, apod.), výsledky jsou překvapivě podobné. Zařízení jsou investičně příliš náročná, nedosahují predikovaných parametrů a jejich návratnost se často limitně blíží jejich době jejich životnosti. Zvolená koncepce, která je nyní uváděna do reálného prostředí na Univerzitním centru energeticky efektivních budov, od počátku upřednostňuje ekonomické parametry před těmi technickými, čímž jednoznačně cílí na potřeby zákazníka. LITERATURA [1] TRIOGEN NL. Triogen: Power from heat [online]. Netherlands, 2015 [cit. 2015-09-07]. Dostupné z: http://www.triogen.nl/ 176
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. 177