Využívání odpadního tepla u kogeneračních jednotek Na úvod upřesnění názvu této přednášky autor chce nasměřovat aktuální pohled na implementaci kogeneračních jednotek do systémů CZT. Dřívější pohled byl zaměřen zejména na implementaci příslušné kogenerační jednotky tak, aby byl zajištěn co nejdelší možný provoz stroje v rámci motohodin v roce teoretické maximum 24*365-servis = 8000 hodin. Tato teorie musí být navíc podmíněna vhodnou výkupní cenou, kterou stanoví příslušný regulační úřad (SK ÚRSO, CZ ERÚ), kdy například v České republice se jde cestou diferencované výkupní ceny podle délky provozu jednotky, kdyžto na Slovensku je věcí provozovatele kogenerační jednotky, kolik hodin v roce bude mít proběh. Motivačním efektem je podmínka vysoce účinné kombinované výroby tepla a elektrické energie, definované příslušnou vyhláškou, která stanovuje podmínky (SR vyhl. 599/2009 Z.z.). Toto je daná legislativa. Chceme se však zaměřit na jinou skutečnost a tou je využívání tepla, které vznikne při kogenerační výrobě, ale jehož potenciál je na nižší úrovni než je standardní výstup z kogenerační jednotky 90 C. jedná se zejména o TECHNOLOGICKÝ OKRUH KOGENERAČNÍ JEDNOTKY, kdy jde v podstatě o okruh chlazení plnící směsi tedy chlazení stlačené směsi vzduchu a zemního plynu, kdy kogenerační jednotka (obvykle od výkonu 100 kw e výše) je vybavena zařízením zvyšujícím plnící tlak turbem. Průvodním jevem stlačování této plnící směsi je vznik v dané chvíli nežádoucího tepla, které musí být odváděno pryč, aby byl zachován efekt zvýšení tlaku. Tepelný výkon technologického okruhu je standardně určen pro využití v nízkoteplotní soustavě (předehřev TUV, ohřev vody v bazénech či jiných technologiích). V případech nevyužívání, se doposud se toto teplo pacifikovalo právě v systému technologického okruhu, kde byl vždy zařazen CHLADIČ PLNÍCÍ SMĚSI, který vše řešil. Obvykle se jedná o vychlazení odpadní vody, která má teplotu od cca 30 45 C.
Technologický okruh kogenerační jednotky Představuje okruh chlazení plnicí směsi. Úroveň vychlazení tohoto okruhu bezprostředně ovlivňuje dosažení základních technických parametrů jednotky. Okruh pracuje s teplotou vratné kapaliny 38 C (na vstupu do chladiče plnící směsi spalovacího motoru). Není-li v okrajových provozních režimech KJ možné odvést celý tepelný výkon jednotky, je možné na přání dodat chladicí jednotku pro nouzové chlazení části nebo celého tepelného výkonu okruhu. Standardní zapojení s mařením tepla
Technologický okruh kogenerační jednotky SOUČASNÁ SITUACE V MODERNÍCH TEPELNÝCH HOSPODÁŘSTVÍCH JE TAKOVÁ, ŽE SE PRACUJE S TEPLOTAMI NA VÝSTUPU, KTERÉ JSOU MNOHDY NIŽŠÍ, NEŽ JAKÁ BYLA DŘÍVE TEPLOTA NA ZPÁTEČCE. Tedy místo výstupů z kotelen 90-120 či 130 C při vratce 70-80 C, se standardně setkáváme s teplotními hodnotami 80/60 C či mnohdy v rámci roku i 65/45 C i nižšími. Tento dopad mají na svědomí rekonstrukce celých systémů, kdy rozumně uvažující provozovatel, rekonstruoval rozvody nejčastěji systémem předizolovaného potrubí a v koncových odběrných místech instaloval DOMOVNÍ PŘEDÁVACÍ STANICE (chcete-li DPS či KOST).
Současně se poměrně intenzivně rozvíjí energetická platforma v oblasti vysokoteplotních tepelných čerpadel a to všech typů, zejména však voda voda, kdy mnozí výrobci již pracují s teplotami na výstupu již okolo 65-80 C. Doposud nízkoteplotní tepelná čerpadla fungovala relativně velmi omezeně a to z důvodu jejich maximální výstupní teploty kolem 55 C. Běžný teplotní spád ve stávajících systémech je často vyšší než 65/55 C. Takto vysoké teploty omezují i výhody kondenzačních kotlů, neboť snižují rozsah kondenzace a účinnost kotle je pak nižší. Tedy nízkoteplotní tepelná čerpadla s jedním chladivovým okruhem jsou schopna vyrábět vodu o teplotě max. kolem 55 C. Některá tepelná čerpadla využívají jeden chladivový okruh s nástřikem části objemu chladiva v plynné fázi z vysokotlaké části okruhu chladiva přímo do kompresního prostoru kompresoru, čímž rozdělí kompresi na dva stupně, a jsou schopna dosáhnout teploty až 65 C. Nicméně při takto vysokých teplotách vody pracují na hraně svých možností, což se projevuje značně sníženou účinností. Řešením je nová technologie kaskádového systému používající dva chladivové okruhy. Tento kaskádový systém pracuje za podmínek, jichž nelze jedním chladivovým okruhem dosáhnout. Každý chladivový okruh pracuje ve svých ideálních podmínkách, a proto se dosahuje vysokých účinností a stabilního provozu.
Logika věci tedy velí, začít uvažovat o tom jak využít v kogeneračním podnikání, tato vysokoteplotní čerpadla spolu v kombinaci se zdroji tepla, které jinak standardně maříme pomocí chladičů plnící směsi. Nový pohled na využití nízkopotencionálního okruhu Na tomto obrázku je tepelné čerpadlo zapojeno tak, že předhřívá zpátečku v rámci systémy TH. Uvědomíme-li si, že teplota na vstupu do tepelného čerpadla je cca od 30-45 C, tak lze očekávat velmi příznivý COP = z anglického Coefficient Of Performance. Určuje účinnost jednotky tepelného čerpadla, nebo-li kolik kw tepelné energie je vyrobeno oproti 1kW dodané (spotřebované) energie. (např. COP 3 znamená = 1kW dodané/ 3kW vyrobené energie). Pro správně uváděný údaj, je velmi důležité znát podmínky při stanovení tohoto parametru, především teplotu venkovního vzduchu, teplotu topné vody, příkon ventilátoru, spotřebu energie pro rozmrazování atd.
Jinak bude vycházet COP při teplotě venkovního vzduchu +7 C a topné vodě 35 C (např. i COP 5) a jinak při teplotě venkovního vzduchu -7 C a topné vodě 35 C (COP 2,8), přestože se jedná o totéž tepelné čerpadlo. Výše uvedené se však týká čerpadel typu VZDUCH VODA. My ovšem uvažujeme s nasazením tepelných čerpadel v provozním schématu s kogenerační jednotkou typu VODA - VODA, kdy teplota vody která je pro čerpadlo k dispozici je na téměř kontinuální výši. Lze tedy s velkou pravděpodobností uvažovat, že COP u těchto aplikací bude až na úrovni COP = 5. Aktuálně je již celá řada výrobců, kteří nabízejí spolehlivé tepelná čerpadla, která jsou schopna pracovat v podobných časových horizontech jako kogenerační jednotky. Lze uvést příklad tepelné čerpadlo od společnosti VIESSMANN typ Vitocal G-350. Při posuzování nasazení tepelných čerpadel VODA VODA v režimu spolupráce s kogeneračnímu jednotkami a s vlastním systémem daného tepelného hospodářství je potřeba: detailně posoudit, kam přivedeme tepelný výkon z tepelného čerpadla (zpátečka, výstup) v rámci ekonomiky posoudit i COP čerpadla vzhledem k dosahovaným teplotám (viz. graf níže) vlastní spotřebu elektrické energie pro tepelná čerpadla lze elegantně řešit samotnou kogenerací A - Ekvitermě řízená digitální regulace tepelného čerpadla Vitotronic 200 B - Kondenzátor C- Výparník D - Hermetický kompresor Compliant Scroll
Název zakázky : Místo stavby : Investor : Provozovatel: Generální dodavatel: Kogeneračná jednotka Štúrovo 800 kw, pripojenie k distribučnej sústave CTZ Štúrovo, Družstevný rad ENERBYT s.r.o. Štúrovo ENERBYT s.r.o. Štúrovo TENERGO Brno a.s. Typ technologie: Kogeneračná technologie 2 x kogeneračná jednotka typ VIESSMANN Vitobloc EM - 401/549 Tepelné čerpadlo typ VIESSMANN Vitocal G-350 Teplovodní kondenzační kotel typ VIESSMANN Vitocrossal Popis stavby, technologie a provozu: Projekt řeší vybudování stavební přístavby ke stávajícímu objektu kotelny, v které je instalováno nové technologické zařízení - především dvě kogenerační jednotky a dodatkový kotel s plynovým přetlakovým hořákem. Instalované jsou zařízení s max. elektrickým výkonem 2 x 401 kw, max. tepelným výkonem 2 x 459 (26) kw (vysokoteplotní nízkoteplotní okruh). Pro zhodnocení odpadního tepla v nízkoteplotním okruhu budou poprvé na Slovensku (!!!) ke KGJ zapojené dvě tepelné čerpadla voda /voda o výkonu 2 x 26 kw. Dodatkový plynový kotel bude zajišťovat jednak špičkový tepelný výkon během provozu kotelny hlavně v létě pro ohřev teplé vody (TV), jednak zálohu výkonu při krátkodobé odstávce dostalo přednost během servisních prací. Instalován bude kotel s výkonem 1000 kw, opatřený plynovým přetlakovým hořákem. Elektrická energie vyrobená v kogeneračních jednotkách bude vyvedena do trafostanice umístěné vedle přístavby a následně připojena do distribuční soustavy ZSE - distribuce. Teplo vyprodukované v KGJ jako vedlejší produkt při výrobě elektrické energie, bude přes potrubní propojení dovedeno do primární otopné soustavy CZT. Celkový instalovaný tepelný výkon nové technologie v přístavbě bude 2,15 MW. Navrhované a realizované řešení odpovídá současným technickým možnostem, vyhovuje kritériím pro moderní a úsporné zdroje tepla (vysoký stupeň využití paliva, automatická regulace provozu, vysoká účinnost).
vizualizace projektu VLEVO nová přístavba s KGJ, VPRAVO stávající kotelna
2 x tepelné čerpadlo typ VIESSMANN Vitocal G-350 usazovaní jedné z kogeneračních jednotek na místo
Informační bonus zvýšení efektivity provozu kogeneračních jednotek Dalším prvkem, který se dříve prosazoval zejména v oblasti kotlové technologie, je implementace zařízení, která zabezpečují vyšší úroveň vychlazení spalin z kogeneračních jednotek. Postupně se jednotlivý výrobci kogeneračních jednotek ale i sami provozovatelé zamýšlí í na dalším a ještě vyšším využití potenciálu kogeneračních jednotek. V předchozím tématu se jednalo o využití nízkopotencionálního okruhu při chlazení plnící směsi. Nyní upřeme pozornost do jiné oblasti zvyšování efektivity provozu, a sice na zařízení, jejichž účelem je zajistit vyšší úroveň vychlazení spalin z kogenerační jednotky a tím zvýšit její tepelný výkon a účinnost - EKONOMIZÉRY. Většinou a nejčastěji se využívají tyto ekonomizéry jako dodatečný spalinový výměník pro zvýšení tepelného výkonu kogenerační jednotky a její tepelné a celkové účinnosti a zapojen do přívodu vratné vody kogenerační jednotky. Alternativou je využít kondenzační teplo vlhkosti spalin s cílem zvýšit tepelný výkon a účinnost kogenerační jednotky oproti pouhému dochlazení spalin. U této druhé alternativy je podobně jako u aplikací s tepelnými čerpadly, nutno pracovat s nízkoteplotním okruhem - pracující s teplotami do 50 C. Výkon výměníku reálný je pak závislý na úrovni kondenzace a tedy především na skutečné teplotě vstupní vody do výměníku. Ekonomizéry jsou většinou koncipovány jako protiproudé, válcové, trubkové výměníky, žárotrubného provedení. Materiálem je nejčastěji nerezová ocel. Vstup a výstup spalin jsou umístěny na komorách výměníku na jeho protilehlých koncích a jsou řešeny pomocí přírubových hrdel. Systém je podobně jako u kotlů doplněn hrdlem pro odvod kondenzátu.
chladící kapalina spaliny VÝSTUP VSTUP spaliny VSTUP chladící kapalina VÝSTUP kondenzát ODVOD odkalení vypouštění Příklad z praxe: ekonomizér společnosti TEDOM
tepelný výkon (kw) Tepelný výkon ekonomizérů pro různé elektrické výkony 200 kw 180 kw 160 kw 120 kw 100 kw 80 kw teplota vstupní vody ( C) Příklad grafu pro stanovení tepelného výkonu ekonomizérů pro konkrétní teplotu kapaliny na vstupu a jmenovitý průtok: tepelný výkon / teplota vstupní vody / elektrický výkon (příklad u jednotek TEDOM 80 200 kw)
Aktuální aplikace moderních kogeneračních technologií se nezaměřují pouze na zákonné a vyhláškové uplatnění v systémech tepelných hospodářství tedy být v režimu vysoce účinné kombinované výroby tepla a elektrické energie, ale po rozvoji směrem k uplatnění v systémech trigenerace (teplo, elektrická energie a chlad) je patrný čím dál silnější tlak na další využívání tepelného potenciálu, ať již v oblastech nízkopotencionálního okruhu, přes využívání dochlazování spalin až po úvahy i využívání tepla z generátorů elektrické energie. Je to logický směr vedoucí k maximální efektivitě výroby a tím i dosažení co nejlepších ekonomických ukazatelů. Děkuji za pozornost